Нанотехнология: основные понятия

  Начнём с общего определения понятия науки о наноматериалах (мелкая наука нанонанаука):
«Наука о наноматериалах изучает феномены и манипуляции с материалами на ато’мном, молекулярном и макромолекулярном масштабах (уровне), когда свойства структур сильно зависят от указанного масштаба размеров.»
  В свою очередь нанотехнологией называют проектирование (теоретический расчёт свойств), изучение и оценки, изготовление и применение структур, устройств и систем с заданными формой и размерами в нанометровом диапазоне.
  Или словами великого деятеля науки:

«Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям».
Ж.А. Алферов

  Сплошные/макроразмерные материалы "Bulk materials" обладают непрерывными физическими свойствами. Это означает, что у данным материалов физические свойства будут линейно изменяться вместе с их размером. Например, у вас есть кусок песчаника, он обладает некоторой величиной твёрдости, если мы измельчим этот кусок на песчинки, то каждая отдельная песчинка будет обладать точно такой же величиной твёрдости, даже при микронном размере. Но когда размер частиц приближается к наномасштабному размеру, и их свойства (энергия, движение, химические свойства) и их нельзя описать принципами классической физики, при указанном масштабе начинают работать принципы квантовой механики. А вызываемые столь малым размером эффекты, называют квантовыми размерными эффектами или просто наноразмерными эффектами. Например, золото в наномасштабе может демонстрировать свойства, заметно отличные от его свойств в макроразмерном сплошном материале.

Нанометровый масштаб

  Сама приставка «нано» ( с греч. nanos – карлик) обозначает одну миллиардную долю или 10-9 часть чего-либо, например, 1 нм = 10-9 м. Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода выстроенных в линию, если за молекулу водорода принять два боровских радиуса (5,2917720859(36)•10−11 мм). .Нанометровый масштаб понятие условное, любят указывать от 1 до 100 нм, так как для разных размерных эффектов он проявляется на разном уровне, хотя потолком приводят цифру в 200 нм. Почему приводят именно такой диапазон? Если грубо, то это связано с тем, что при уменьшении размеров снижается суммарная величина взаимодействия атомов, что приводит к соизмеримости размера частиц с физическими параметрами, имеющими размерность длины и определяющими свойства системы (размер магнитных доменов, длина свободного пробега электрона, дебройлевская длина волны, и т.д.). Некоторые недостоверно причисляют увеличение поверхности частиц и связанный с этим рост поверхностной энергии к квантовому наноразмерному эффекту. Это является грубой ошибкой, так как этот эффект достоверно описывается классической теорией термодинамики (завершенной ещё до создания квантовой механики). Нанонаука не просто наука о малых масштабах вещества, а наука о материалах, демонстрирующих новые физические эффекты в нанометровом масштабе, описываемых квантовым эффектом (эффектом дискретности вещества и полей), сильно зависящем от размера, не проявляющихся в данных материалах в макромасштабе. Т.е. наука о наноматериалах исследует материалы, демонстрирующие особые свойства, функциональность и явления, определяемые малыми размерами.
  В качестве примера квантового размерного эффекта приведу получение прозрачного проводящего оксидного материала. Возьмем диоксид олова и фторид олова, которые в нормальных условиях диэлектрики, в соотношении 99:1, смешаем и спечём в виде сплошного кирпичика, мы в лучшем случае получим, просто непрозрачную электропроводящую керамику с высоким сопротивлением. Если просто механически смешать и раскатать в тонкий слой, мы не получим тоже самое. Но если мы получим тонкую твердую плёнку того же состава толщиной от 30 до 1000 нм, мы получим прозрачную проводящую плёнку. Вот вам и квантово-размерный эффект выраженный в виде появления электропроводности у исходных диэлектриков. Примерно такая плёнка применяется в смартфонах с сенсорным экраном.

Понятие наноматериала

  Наноматериал это объект, в котором по меньшей мере один размер имеет нанометровый масштаб. Наноматериалы можно разделить на следующие категории в зависимости от размерности структуры:

  Примером нульмерных могут быть квантовые точки.

  Про трубки я уже писал углеродные нанотрубки

, и про плёнки.

Наноматериалы по происхождению можно подразделить на два типа:

  Неосознано полученные наноматериалы, нано-частицы обнаруженные в окружающей среде (например, белки, вирусы, наночастицы, производимые при вулканических извержениях и т. д.) или производимые в результате непреднамеренной деятельности человека;

Целенаправленно изготовленные наноматериалы: это наноматериалы, изготовленные целенаправленным образом по определённой технологии. Например графен.

Отсюда следует, что все непреднамеренно полученные наноматериалы нельзя относить к нанотехнологии.

  Давайте наглядно представим масштаб наноматериалов. Наноматериалы - больше, чем отдельные атомы, но меньше, чем бактерии и клетки. Для лучшего понимания достаточно взглянуть на представленную ниже шкалу.

  Несколько интересных фактов из разряда нано:

Наши ногти растут со скоростью 1 нанометр в секунду;
булавочная головка в диаметре составляет около 1 000 000 нм;
толщина человеческого волоса составляет около 80 000 нм;
молекула ДНК имеет ширину 1-2 нм.

Интерес науки к наноматериалам

Существуют различные причины, в связи с которыми наука о наноматериалах и нанотехнологии настолько перспективны в материалах, технике и смежных науках. Электронные, оптические, механические свойства материалов в масштабах нанометра существенно меняются. Так в наноразмерном уровне металл может стать полупроводником или диэлектриком. Любят упоминать эффекты связанные с ростом удельной поверхности вещества и соответственно растущей химической активностью вещества, хотя это обычная термодинамика.

  Нанонаука и нанотехнологии зависят от исключительных свойств вещества в наноразмерном уровне. В этом контексте "нано" означает не просто 1000 раз меньше, чем микро-, это совершенно новая парадигма, которая открывает совершенно новые научные возможности. Последним словом техники являются самособирающиеся структуры довольно большой сложности. Человечество уже подходит к технике полной сборки искусственной ДНК.

В следующих постах, я подробно рассмотрю понятие нанотехнологии и исторические этапы развития нанотехнологии.

Выходя за рамки своей темы, остаётся вопрос о величине глобального рынка нанотехнологий? Я нашёл в открытом доступе только за 2004 год и это как-то печально, нормальный отчёт и оценки развития такой сферы рынка стоит от 1900 до 5000 €.

Для вас перевел и напечатал @boltyn. Не кстати, первое изображение относится к атомно-силовая микроскопия уникального минерала чароита, встречающегося только на территории России.
И бонус на злобу дня.