Нанотехнологии: фундаментальные принципы и возможности

Опубликовано 08.09.2011
Валерий Киреев   |   просмотров - 5672,   комментариев - 2
Нанотехнологии: фундаментальные принципы и возможности

Есть ли пророки в своем отечестве?

Цель настоящей статьи - привлечь внимание российской научной общественности к работе [1], посвященной проблемам и «болевым точкам» современного естествознания и возможному методу их решения посредством введения нового исходного уровня представления о Материи - множества полевых сред, через которые, как представляется, осуществляются взаимодействия вещественных объектов во Вселенной, причем набор и форма этих сред определяют химический состав и внутреннюю структуру объектов, а, следовательно, их физико-химические свойства.

Предложенный подход позволил уточнить определения ряда фундаментальных понятий в философии, физике и химии, а также объяснить значительное число новых данных и наблюдаемых явлений, ставивших в тупик традиционную науку. Основываясь на предложенной концепции [1], авторы акцентированно провели анализ становления, систематизацию и классификацию методов и объектов нанотехнологий с получением ряда новых результатов.

Универсальность коллоидного состояния вещества.

Дисперсные системы являются гетерогенными, и обычно состоят из двух или более фаз: дисперсной фазы в виде совокупности частиц или пор и дисперсионной среды – сплошной (непрерывной) фазы, в которой они распределены. Такие системы характеризуются определенной степенью дисперсности (раздробленности) вещества, определяемой как D = 1/a, где a – диаметр сферических и волокнистых частиц или пор цилиндрической формы, длина ребра кубических частиц, ширина волокнистых частиц прямоугольной формы, толщина пленок или полостей.

Исследования дисперсных систем, проведенные во второй половине 19-го и начале 20-го веков европейскими учеными, позволили выделить из них коллоидные (ультрадисперсные) микрогетерогенные системы с размерами частиц или пор в диапазоне 1,0-100 нм (степень дисперсности 105-107 см-1), характеризующиеся различием в физико-химических свойствах при одинаковом химическом составе. Вещество в коллоидном состоянии диспергировано до очень малых частиц или пронизано мельчайшими порами порядка 1,0-100 нм, невидимыми в оптический микроскоп, но превышающими по размерам отдельные молекулы.

Это и послужило основанием для введения терминов «ультрадисперсность» и «микрогетерогенность» с целью характеристики малости размеров дисперсной фазы коллоидных систем [2].

Выделение таких систем в особую группу обусловлено несколькими обстоятельствами. Прежде всего, многие физико-химические свойства наноразмерных частиц значительно отличаются от таких же свойств того же вещества в виде более крупных (микро- и макроскопических) объектов. К числу этих свойств относятся: прочность, теплоемкость, температура плавления, электрические и магнитные характеристики, реакционная способность. Подобные различия называются размерными (или масштабными) эффектами. Кроме того, если размеры наночастиц, хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, то у них появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы [2].

Обобщив в 1904-1910 гг. результаты исследований дисперсных систем, профессор С.-Петербургского Горного института П.П. Веймарн сформулировал фундаментальный принцип универсальности коллоидного состояния вещества:
«Коллоидное состояние не является обособленным, обусловленным какими-либо особенностями состава вещества. При определенных условиях каждое вещество может быть получено в коллоидном состоянии» [3], т.е. любое вещество может быть получено в виде коллоида и, следовательно, целесообразно говорить не о коллоидных веществах, а именно о коллоидном состоянии, как свойстве Материи.

Принцип универсальности требует введения в качестве пятого агрегатного (фазового) состояния, наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным, коллоидного (ультрадисперсного, наноструктурированного) состояния вещества.

Однако современники П.П. Веймарна и их последователи посчитали, что в коллоидных системах дисперсные частицы и дисперсионные среды могут образовывать разные вещества, либо одно вещество в различных агрегатных состояниях, поэтому было решено, что коллоиды – это гетерогенные системы, содержащие вещества в ультрадисперсном состоянии [2,4-6].

Авторы [1], обобщив результаты, полученные ими в ряде работ, например, [7-9], доказывают:
• Присутствие практически во всех твердых веществах и материалах дефектов и химических загрязнений (чужеродных атомов) позволяет рассматривать их как гетерогенные дисперсные системы, образованные из двух или более физических фаз - областей одинакового химического состава с разной геометрией внутренней структуры и/или химических фаз - областей разного химического состава, разделенных поверхностями раздела.
Таким образом, внутреннее строение (структура) твердых веществ и материалов, определяющее их физико-химические свойства, - это пространственное расположение структурных единиц, образующих набор физических и химических фаз с поверхностями раздела между ними, а также набор дефектов (точечных, линейных, плоскостных и объемных) разной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимосвязей и порядком сцепления их между собой.
• Внутреннее строение простого твердого вещества зависит от формы, размеров и плотности физических фаз с одинаковой структурой (зерен, кристаллитов, блоков, доменов, аллотропических модификаций), площади межфазовых поверхностей и формы, размеров и плотности дефектов, создаваемых в веществе в процессе его получения, формирования и использования.
• Внутреннее строение твердого химического соединения зависит от формы, размеров и плотности физических фаз, дефектов и химических фаз, а также площади межфазовых поверхностей, в совокупности определяемых условиями получения формирования и использования соединения.
Физико-химические свойства любого твердого вещества (материала) зависят от его структуры, которая определяется природой самого вещества и условиями его перехода в твердое состояние при получении, а также условиями формирования и эксплуатации.
Таким образом, условия получения, формирования и обработки твердых веществ и материалов задают форму, размеры и плотность дефектов, физических и химических фаз, а также площади межфазовых поверхностей раздела внутри их объема, в совокупности определяющих структуру, а, следовательно, их физико-химические свойства.

В связи с изложенными рассуждениями, в [1] уточняется положение, приводимое в учебниках химии, например, «молекулярное вещество остается химически неизменным до тех пор, пока сохраняются неизменными состав и строение его молекул, а немолекулярное вещество - пока сохраняется его состав и характер связей между атомами» [10].

Указанное положение справедливо только для веществ в газообразном и, частично, в жидком состоянии. По всей видимости, для твердых веществ и материалов оно может быть сформулировано следующим образом: «любое вещество и материал в твердом состоянии остается химически неизменным до тех пор, пока сохраняются неизменным его состав и внутреннее строение (структура)» [1].

Перевод вещества в коллоидное (ультрадисперсное) состояние называется наноструктурированием, под которым следует понимать не только получение его в виде свободных наночастиц и нанослоев, но создание и формирование на поверхности вещества наноструктур и нанослоев, а в объеме физических и/или химических нанофаз, а также нанополостей, которые можно рассматривать как своеобразные нанообъекты, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела.

Вещества, материалы и среды в коллоидном состоянии с размерами фаз, частиц, структур и слоев в диапазоне 1,0-100 нм принято называть наносистемами, а сами такие объекты - наночастицами, наноструктурами, нанослоями, (нанопленками), нанофазами и нанополостями, обычно обозначая их совокупность термином «нанообъекты».

Под технологией, в производственном смысле, понимаются способы контролируемого преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления [4].

Тогда: нанотехнологии - это способы контролируемого получения веществ, материалов и сред в наноструктурированном (коллоидном) состоянии с новыми физико-химическими свойствами, сопровождающиеся исследованием этих свойств и измерением характеристик и последующим использованием в различных отраслях науки, техники и промышленности [1].

Таким образом, выбирая и контролируя условия получения, формирования и обработки твердых веществ их практически всегда можно перевести в наноструктурированное агрегатное состояние с новыми физико-химическими свойствами по сравнению с аналогами с микро- и макроструктурой, т.е. получить наборы их искусственных аллотропных или полиморфных модификаций.

Следует отметить, что наноструктурированные вещества (материалы) можно получать двумя основными методами:
- диспергированием (измельчением, дроблением) внутренней структуры аналогов до наноразмерного уровня, используя различные способы внесения дефектов и химических примесей (подход «сверху вниз»);
- уплотнением (объединением, компактированием, конденсированием) механических смесей нанообъектных аналогов (частиц, волокон, пленок и др.) различными способами термообработки под давлением (подход «снизу вверх»).

Введением дефектов и (или) химических примесей в монокристаллическое или поликристаллическое вещество, т.е. нарушением его внутренней структуры с помощью механических, термических и радиационных воздействий, можно это вещество перевести в наноструктурированное состояние, т.е. получить непрерывные наборы искусственных аллотропных и полиморфных модификаций с различными физико-химическими свойствами (например, превращение поликристаллических металлов в металлические стекла или кристаллов полупроводников с собственной проводимостью в кристаллы полупроводников n- и p-типа).

С помощью подбора условий внешней среды (ее вида, температуры, давления и их градиентов) из механических смесей нанообъектов различного вида, размеров и формы можно получить непрерывные наборы простых веществ и химических соединений одинакового состава, но с разным внутренним строением, т.е. наборы искусственных аллотропных и полиморфных модификаций (например, получение металлокерамики и ситаллов из нанопорошков, формирование сверхтвердые покрытия из чередующихся слоев нанометровой толщины разных материалов).

Таким образом, с помощью контролируемых механических, термических и радиационных воздействий из любого вещества (материала) или из механической смеси нанообъектов можно образовывать непрерывные наборы новых искусственных наноструктурированных веществ и материалов в виде аллотропных и полиморфных модификаций [1].
Различные диспергационные, конденсационные и комбинированные методы формирования нанообъектов и наносистем приведены в работе [8].

В заключение автор обращается с предложением к широкой научной общественности ознакомиться с [1] и вынести вердикт в научном плане: насколько представленные в работе предложения заслуживают внимания современных материаловедов и являются революционными, а коллективам отраслевых и академических институтов и исследовательских организаций, занимающихся разработкой и созданием новых материалов для различных областей применения, предлагается воспользоваться рекомендациями цитируемой статьи при решении сложных прикладных задач.

Литература

1. Киреев В.Ю., Врублевский Э.М., Недзвецкий В.С. и Сосновцев В.В. Философские, физические и химические аспекты объектов и методов нанотехнологий. – Информация и инновации. 2010, специальный выпуск, с. 1 – 90.
2. Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. 3-е изд., М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 240 с.
3. Веймарн П.П. К учению о состоянии материи (основания кристаллизационной теории необратимых коллоидов). СПБ.: 1910. – 188 с.
4. Большая советская энциклопедия (БСЭ)./Гл. ред. А.М. Прохоров. – 3-е изд. М.: Сов. энциклопедия, 1969 - 1978. – 30 томов.
5. Некрасов Б.В. Курс общей химии. - 14 изд., М.: Госхимиздат, 1962. – 976 с.
6. Горбачук В.В., Загуменных В.А., Сироткин В.А. и др. Практическое руководство по лабораторным работам по коллоидной химии. Казань: Изд-во Казанского госуниверситета, 2001. – 83 с.
7. Э. Врублевский, В. Киреев, В. Недзвецкий, В Сосновцев Нанотехнология - путь в будущее или бренд для финансирования. - Нано- и микросистемная техника. 2007, № 12, с. 6 – 20.
8. Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. – М.:ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. – 432 с.
9. В. Киреев. Нанотехнологии: история возникновения и развития. - Наноиндустрия, 2008, № 2, с. 2 - 8.
10. Жуков С. Т. Химия 8-9 класс. М.: школа N548, 2002, Центр образования «Царицыно» - http://www.chem.msu.su/rus/school


Комментарии:

Редактировать Цитировать Имя
Валерий Киреев, 31.10.2011 13:35:45
В цитируемом в статье учебнике химии под термином "химическая неизменность" подразумевается неизменность химического состава вещества. Изменение кристаллической структуры вещества приводит не только к изменению скорости химических реакций, например травления монокристаллического, поликристаллического и аморфного кремния в растворах KOH, но и к отсутствию реакций с одними и теми же реагентами у одних кристаллических структур и их присутствием у других. Возьмите например белый и красный фосфор или Si(111) и Si(100) - существуют травители, которые травят вторую структуру, но не травят первую.
Цитировать Имя
Валерий Бокарев, 28.10.2011 15:34:22
Что такое "химическая неизменность"? Физическая - понятно - расплав и газ, разные состояния. Но химические свойства проявляются в химических реакциях, а последние происходят либо в растворах, либо в газах и т.д. При этом говорить о различии химических свойств разных кристаллических модификаций одного и того же вещества не приходится, т.к. химическая реакция приведёт к одному и тому же результату. Поэтому термин "химическая неизменность" требует уточнений.