Информатика тоже, ведь квантовые точки – один из кандидатов на элементную базу квантового компьютера.
– Да, но это, по-видимому, перспектива не менее чем десяти лет. А источники света на квантовых точках – ближайшая перспектива. Упрощенно говоря, квантовая точка – это светодиод, уменьшенный до наноразмера. Сейчас их научились делать очень устойчивыми и долгоживущими. Квантовые точки можно использовать в качестве генераторов лазерного излучения с очень узким спектром, в фотодинамической терапии рака, в качестве маркеров органелл в клетках, – а также для очень экономичных бытовых источников света. Они могут быть очень полезны и в фотонике. Если, скажем, сделать материал из одинаковых правильно упакованных микросфер полистирола или оксида кремния, промежутки заполнить нужными наночастицами, а потом убрать исходную матрицу из микросфер, то получим матрицу, состоящую из квантовых точек, воспроизводящую промежутки между исходными плотноупакованными микросферами. Это будет новый люминесцентный материал, его можно использовать для реализации различных архитектур фотонных компьютеров (фотонный кристалл со структурой обращенной опаловой матрицы).
Энергетика: апдейт противогаза и керамика в эпоксидке
О чем еще вспоминает специалист при упоминании нанотехнологий?
– Конечно, об энергетике. Одно из модных направлений – топливные элементы. Что это такое? Вы можете сжечь спирт, и выделится тепло. А если вы пропустите спирт через топливный элемент – произойдет непосредственное преобразование энергии химической реакции в электрическую энергию. Обычные батарейки делают абсолютно то же самое, но они работают с другими веществами, а топливные элементы (ТЭ) преобразуют обычное топливо в присутствии кислорода. В этих элементах есть особый газопроницаемый слой, где находится катализатор. В качестве катализатора для водородных и метанольных ТЭ особенно эффективны наночастицы платины (5—10 нм).
Вообще катализаторы (вещества, резко ускоряющие ход реакций) – это классическая область химии, которая тесно связана с наночастицами, потому что катализатор должен иметь большую площадь поверхности – хотя бы сотню квадратных метров на грамм! У нас на факультете наук о материалах студенты работают с изопористым диоксидом кремния – там площадь поверхности достигает двух тысяч квадратных метров на грамм.
Здесь, как и вообще в нанотехнологиях, очень важны не просто наночастицы, а наноструктурированные материалы: например, микростержень, на котором растут «нанолисточки». Когда-то Зелинский изобрел противогаз на основе диоксида марганца и оксида меди (гопкалит), в котором угарный газ превращался в СО2. Если эту идею немного додумать, то уже сейчас можно получить нечто полезное для ТЭ. Пусть ваш ТЭ использует метанол и кислород. Полупродуктом окисления метанола является СО. А это страшнейший яд для платины-катализатора. Но если бы удалось платину «посадить» на поверхность кристаллического уса (вискера), содержащего диоксид марганца, то носитель убивал бы яд, опасный для основного катализатора! Это – пример наноструктурированной системы, где есть уровень «нано» (катализатор), уровень «микро» (микронного размера усы, содержащие оксид марганца), а также уровень «макро», когда вы все делаете в виде бумаги, содержащей платину и гибкие вискеры, и каждый уровень по-своему важен и выполняет специфические функции. Все вместе дает материал для ТЭ – платинированную марганец-содержащую бумагу (мы сейчас работаем над таким проектом по Федеральной целевой программе).
В связи с водородной энергетикой тоже идет активный поиск катализаторов для фотодиализа воды – разложения ее на водород и кислород за счет солнечной энергии. Большие усилия направлены и на улучшение солнечных батарей с помощью наночастиц.
Исследуются разные вещества – в том числе сочетания фуллеренов с органическими веществами, диоксидом титана и другими. КПД таких установок растет, но пока они очень дороги.
Солнечные батареи, катализаторы для ТЭ – это все-таки улучшение того, что уже есть. А вот сверхпроводимость – это же новое качество в энергетике! Нанотех здесь применяется?
– Это, пожалуй, вопрос терминологии. Точный ответ таков – в этой задаче принципиально важна структура материала на наномасштабе. Высокотемпературные сверхпроводники – замечательная модель иерархических структур в твердом теле. Там есть уровень «макро» – левитаторы, большие шестигранные шайбы, которые можно уложить так, чтобы они образовали сплошную поверхность, поместить в жидкий азот, и над ними будет что-то «плавать» (например, поезд со сверхпроводящими элементами будет скользить над магнитным рельсом). Есть уровень «микро», который описывает организацию зерен-кристаллитов: несовершенства на границах зерен должны быть минимальны. Крайне важен и уровень «мезо» (субмикро). Потому что именно такой масштаб имеют несовершенства, ответственные за появление вихрей Абрикосова, которые работают как центры пиннинга – без них сверхпроводник второго рода не сможет выдержать сколь-либо значимых критических токов. Спрашивается, что же нового дает уровень нано?
А вот что. Вихри Абрикосова – очень небольшие по размеру. Желательно, чтобы центры пиннинга ("пришпиливания" вихря) были неподвижны. Поэтому порождающие их несовершенства структуры должны иметь как раз наноразмеры. И именно такие включения обнаружились в неодим-содержащих бариевых купратах. Берется твердый раствор (кристаллическая решетка, в которой часть атомов заменена на другие) – и он при определенной термообработке расслаивается, образуя «паркетную» наноструктуру. Она состоит из областей – нанофлуктуаций состава. Там, где больше неодима, возникают несверхпроводящие участки. Там, где меньше неодима, возникает сверхпроводимость. Получаются высокоэффективные центры пиннинга. Группа японских авторов «вморозила» с помощью такой системы сумасшедшее магнитное поле – 14 или 15 тесла! При этом крупнокристаллический высокотемпературный сверхпроводник был залит эпоксидной смолой и помещен в железную шайбу, чтобы магнитное поле не разорвало хрупкую керамику.
Спрашивается – это наноматериал? Нет! Напротив, это крупнокристаллическая керамика (размеры «зерен» до нескольких сантиметров!). Там нет наночастиц. Но там есть нанофлуктуации состава, встроенные в общую иерархию пространственной структуры. Эта замечательная работа, кстати, была сделана еще до бума нанотехнологий.
Между прочим, висмутсодержащие сверхпроводники с нанофлуктуациями состава используются для сверхпроводящих тоководов. Эти материалы прокатываются в ленты, из них делают многожильные кабели, ряд фирм уже выпускает такую продукцию. Сверхпроводящие тоководы работают внутри силовых подстанций и в Германии, и в Штатах, и в Японии. Это очень дорого – и материалы дорогие, и сама линия охлаждается жидким азотом или жидким водородом. Но за длительное время все это может окупиться, благодаря уменьшению энергопотерь.
Просто белила
То и дело слышим, что некая фирма начинает – "на основе нанотехнологий!" – производить краски, которые обеззараживают воздух и уничтожают вредные примеси. Но ведь такие краски уже лет десять как можно купить в магазине – рублей по сто за банку. Это обычные титановые белила. TiO2 – полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Грубо говоря, если он находится в воде (или контактирует с прилегающим слоем воздуха), то под действием ультрафиолета начинается генерация радикалов, которые убивают органическую грязь. Значит, если взять частицы этого вещества с большой суммарной площадью поверхности, поместить в воду и облучить ультрафиолетом, произойдет очень эффективная очистка воды (при условии, конечно, что вы сможете потом эти частицы отфильтровать). А если нанести титановые белила на стену, то когда солнышко ее осветит, там тоже, возможно, будут убиты очень многие микроорганизмы – либо самим солнцем, либо TiO2, кто потом докажет? Вот пример того, что за модным лозунгом могут скрываться давно известные вещи – просто их раньше не связывали с нанотехом.
Экология и новые материалы: титановые белила и ультрагвозди
Давайте кратко перечислим, что еще не упомянули?
– Нанотех универсален, поэтому перечислять области его применения можно бесконечно. Например, мы не назвали экологию, а вокруг нее особенно много спекуляций. Об этом – врезка "Просто белила", где речь о замечательных свойствах титановых белил.
С другой стороны, бытовые титановые белила все-таки не из наночастиц состоят – а более эффективные нанопорошки с обеззараживающими свойствами сделать на порядки труднее и дороже, так как эти свойства зависят не только от состава, но и от формы частиц, их срастания с частицами другой фазовой модификации, состава поверхности и многого другого.
