Нанотехнологии и наноматериалы в космонавтике

НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ В КОСМОНАВТИКЕ

Л.С. Новиков, Е.Н. Воронина

Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ

E-mail: novikov@sinp.msu.ru

Введение

На рубеже XX–XXI столетий сформировалась новая стремительно разви- вающаяся научно-техническая область, которую можно охарактеризовать со- четанием трех понятий: нанонаука, нанотехнология, наноиндустрия.

Нанонаука изучает фундаментальные свойства объектов нанометровых размеров (нанообъектов) и связанные с ними явления. К нанообъектам относят материальные объекты различной конфигурации: частицы (зерна), волокна, трубки, пленки и др., хотя бы один линейный размер которых лежит в диапа- зоне 1–100 нм, т.е. 10–9–10–7 м. Со стороны малых значений этот диапазон не- посредственно смыкается с областью размеров атомов и молекул, а его верх- няя граница, отделяющая нанообъекты от микрообъектов, установлена доста- точно условно. В общем случае ее нельзя однозначно связать с какими-либо характерными размерными параметрами, определяющими свойства вещества, например, с размерами магнитных доменов, длиной свободного пробега носи- телей заряда или с длиной волны де Бройля, поскольку для разных веществ значения этих параметров могут существенно отличаться.

Нанотехнология решает задачи создания самих нанообъектов, которые в зависимости от их конфигурации называют наноструктурными элементами или наноструктурами, материалов на их основе, называемых соответственно наноструктурными (наноструктурированными) материалами или просто на- номатериалами, и законченных изделий, в составе которых используются на- номатериалы. Применением термина «нанотехнология» во множественном числе обычно подчеркивают многообразие направлений в данной области или обозначают комплекс каких-то конкретных технологий.

Наноиндустрия должна обеспечить достаточно масштабное производство наноматериалов и содержащих их изделий для применения в самых различных областях человеческой деятельности.

Как мы видим, понятия нанонаука, нанотехнология и наноиндустрия тесно связаны между собой. Поэтому часто для обозначения рассматриваемой науч- но-технической области используют только один термин – «нанотехнология», подразумевая, что он охватывает научные основы технологии и производст- венные аспекты. Такой подход представляется наиболее правильным, по- скольку, строго говоря, нанонаука не является самостоятельным научным на- правлением, а основывается на фундаментальных положениях и методах ис- следований физики, химии, биологии, математики и ряда технических и гума-

нитарных наук, что свидетельствует о ярко выраженной междисциплинарно- сти нанотехнологии.

Очень важно отметить, что нанотехнология призвана создавать материалы и законченные изделия с принципиально новыми эксплуатационными свойст- вами, которые не могут быть достигнуты с помощью традиционных техноло- гий.

Наноматериалы весьма разнообразны. Так, совокупность наночастиц, т.е. нанопорошок, может использоваться как самостоятельный материал, напри- мер, в качестве катализатора. Путем спекания или прессования нанопорошков из них можно получать высокопрочные твердые материалы. В качестве напол- нителей нанопорошки могут входить в состав различных композиционных ма- териалов, имеющих уникальные механические, тепловые или электрофизиче- ские характеристики.

Почему же наноматериалы обладают столь замечательными свойствами? Кратко на этот вопрос можно ответить следующим образом: во-первых, при переходе от микро- к нанообъектам увеличивается отношение числа атомов, находящихся на поверхности, к числу атомов в объеме, вследствие чего растет влияние сил поверхностного взаимодействия и границ раздела на свойства ве- щества, а во-вторых, с уменьшением размеров частиц все в большей степени проявляются квантовые эффекты. Роль первого фактора является определяю- щей, например, при получении наноматериалов с уникальными механически- ми свойствами, а второго – при создании элементов наноэлектроники.