Что такое наноматериалы и где они используются

Что такое наноматериалы и где они используются

Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.

Приставка «нано», пришедшая из греческого языка («нанос» по‑гречески ‑ гном), означает одну миллиардную долю. Один нанометр (нм) – одна миллиардная доля метра.

В мировой литературе четко отличают нанонауку (nanoscience) от нанотехнологий (nanotechnology). Для нанонауки используется также термин ‑ nanoscale science (наноразмерная наука).

На русском языке и в практике российского законодательства и нормативных документов термин «нанотехнологии» объединяет «нанонауку», «нанотехнологии», и иногда даже «наноиндустрию» (направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии).

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7‑ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

Компьютеры и микроэлектроника

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры.

ДНК‑компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Атомно‑силовой микроскоп ‑ сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна‑осциллятор ‑ 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

Наномедицина и фармацевтическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК‑нанотехнологии ‑ используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии ‑ наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Робототехника

Нанороботы ‑ роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами.

В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.

Молекулярные роторы ‑ синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 ‑ 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологий», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок.

В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Источник

Области применения наноматериалов

Обзор перспективных материалов с позиции эффективного потребления в будущем.

Роль новых материалов с каждым годом возрастает. По оценке американских экспертов в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники. За последние годы в США стали использоваться тысячи марок новых и новейших материалов.

Существуют конструкционные и функциональные новые материалы, к последним относят:

— аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физико-механических и химических свойств;

— «интеллектуальные» или «умные» материалы, характерной особенностью которых является способность запоминать, отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

— композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

— ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

— алмазноподобные сверхтвердые пленки;

— функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Большое число технологических методов обработки и технологических процессов (например, реактивная и инжекционная формовка, экструзия, сверхпластичная формовка, высокоскоростное охлаждение, порошковая металлургия, лазерные технологии, высокоэнергетическое ионноплазменное напыление и другие) интенсивно развивались в последние годы и в начале XXI века будут определять рынок высокотехнологичного оборудования.

О тенденциях развития мирового рынка новых материалов с 1980 по 2000г. свидетельствуют данные таблицы 30-31, которыми подтверждаются преобладающие темпы роста новейших материалов по сравнению с традиционными.

Вклад новейших конструкционных и функциональных материалов в стоимость перспективных видов вооружений и глубоководной техники составляют от 40 до 85%. Они являются опорной базой модернизации электроники, подводных лодок и новых типов кораблей и судов, ракетно-космической техники и авиации.

Прогноз развития мирового рынка новых материалов

Таким образом, не вызывает сомнения тесная связь между использованием новых материалов и конкурентной способностью промышленной продукции. Уровень разработки новых материалов в различных странах мира, составленный по данным экспертов США и стран Западной Европы, приведен в таблице 31.

Относительный уровень разработки новых материалов

Особый класс новых материалов – наноструктурные материалы. На которых остановимся подробнее, так как их интенсивные разработки ведут и в Казахстане.

Наноструктурные материалы создаются с использованием нанотехнологий и обладает рядом уникальных свойствам. К этому классу относят материалы с размером структурных элементов менее 100нм.

По геометрическим признакам структурные элементы наноматериалов можно разделить на:

— нольмерные атомные кластеры и частицы;

— одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры (квантовые проводники, нанотрубки тонкие пленки);

— трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

В настоящее время широко используются следующие типы наноматериалов: нановолокна и нанотрубки, нанопленки и нанопокрытия, нанодисперсии и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Первые исследования наноматериалов показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии. У наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону ее уменьшения.

По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Поведение наноматериалов определяется процессами на границе частиц или зерен. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств, по сравнению с массивными материалами. Если считать, что зерна имеют сферическую форму, и полагать, что толщина слоя 1нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), то получаются следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна (частицы), нм……………… 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля поверхностного слоя,%. 6 12 24 30 60 100 150

Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов.

Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки.

Области применения наноматериалов

Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. Но некоторые наноматериалы уже доступны на рынке.

Одним из первых применений наноматериалов можно считать использование коллоидов. Давно применяются вещества, содержащие ультрадисперсные частицы, как аэрозоли, красящие пигменты, окрашивающие стеклоколлоидные частицы металлов.

В генной инженерии наноматериалы используются для доставки биологически активных веществ в клетки.

Часто основанием применения наноматериала становится какое-либо одно свойство. Так, керамические материалы, содержащие нанокристаллические частицы металла используют для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн. Суспензии частиц железа с размерами от 30нм до 1-2мкм в смазочном масле восстанавливают изношенные детали (не прерывая работы)двигателя.

В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсного порошка UO₂, в термоядерной технике из ультрадисперсного порошка бериллия изготавливают мишени для лазерно-термоядерного синтеза.

Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий.

Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по служебным свойства традиционные материалы.

Полученные плазмохимическим способом ультрадисперсные порошки металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала полупроводников и диэлектриков.

В медицине ультрадисперсные порошки применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с ультрадисперсным порошквым свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрою усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.).

В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника.

Трубчатые углеродные нановолокна и фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни» для танков и бронежилетов.

На коммерческий рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия, титана, сурьмы и др. на этот рынок выходят. Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20. 200 нм.

Таким образом, наноматериалы, имея наноразмерные структурные составляющие (зерна, частицы), характеризуются уникальными характеристиками (удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др.). Особая роль в поведении наноматериалов принадлежит процессам, происходящим на поверхностях и границах.

В зависимости от области применения и требуемых свойств выбирают метод получения наноматериалов (химический, физический, механический и биологический).

Поскольку материалы являются стимулом для созданий новых технологий, а новая технология порождает новый материал или удешевляет известный, то существующая взаимосвязь материала и технологий их получения, обязательно учитывается при выборе наноматериала. Более того, развитие нанотехнологий определяет выбор наноматериалов конкретного назначения.

Источник

Наноматериалы: на грани фантастики

То далекое время, когда наши предки додумались использовать простые предметы для добычи пропитания, стало Большим взрывом в развитии технологий. Сперва люди использовали «готовые» инструменты вроде палок и камней. Затем они научились превращать их во что-то более пригодное к применению. Потом научились выплавлять бронзу, а еще чуть позже стало ясно, что и она не идеальна. Начали использовать железо… С тех пор человечество открыло неисчислимое количество различных материалов, обладающих самыми разнообразными свойствами. Сегодня материаловедение переживает второе рождение: ученые разрабатывают собственные материалы в соответствии с желаемыми характеристиками.

Нанотехнологии

Пожалуй, все хотя бы раз в неделю слышат это слово. У широкой публики оно уже давно ассоциируется с чем-то средним между передовой наукой, волшебством и шарлатанством, а ученые продолжают добавлять магическую приставку «нано» с целью получить солидный грант. Давайте разберемся, что же представляют собой нанотехнологии и что они могут нам предложить в ближайшем и отдаленном будущем.

_{Иллюстрация размера в 1 нм, собранная из атомов меди инженерами IBM.}

Прежде всего, нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра. Несколько фактов, чтобы ощутить масштаб: щетина растет со скоростью 5 нм в секунду, диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм, а толщина человеческого волоса — от 20 до 150 тысяч нм в зависимости от цвета. В то же время диаметр атома гелия — 0,1 нм. Таким образом, нанотехнологии подразумевают под собой создание и манипулирование многоатомными структурами, размеры которых хотя бы в одном измерении (длина, ширина или толщина) не превышают 100 нм.

Дело в том, что свойства вещества, состоящего из таких частиц, значительно отличаются от того же вещества в более привычном для нас (компактном) виде. С приближением к атомарному масштабу сильно возрастает удельная поверхность материалов (суммарная площадь поверхности, деленная на массу). Сильно возрастает роль квантово-механических эффектов. Зачастую именно они определяют новые удивительные и часто неожиданные свойства наноструктурированных материалов.

Для примера: в наноразмере существенно возрастает способность веществ вступать в химические реакции. В повседневной жизни алюминий — инертный металл, в фольге из которого можно спокойно запекать мясо в духовке. А вот наночастицы алюминия добавляют в качестве катализатора к твердому ракетному топливу, что сильно увеличивает его тепловыделение и эффективность.

Также значительно изменяются оптические свойства веществ. Например, ничем не примечательный в макромире полупроводник — селенид кадмия — в наномасштабе флуоресцирует всеми цветами радуги, причем цвет зависит лишь от диаметра частиц. Это свойство флуоресцентных наночастиц (так называемых квантовых точек) уже давно используется в лазерах и биологии, а также имеет хорошие шансы найти применение в производстве гибких цветных дисплеев и в медицинской диагностике.

Не стоит считать, что нанотехнологии — это что-то искусственное, придуманное человеком. На самом деле множество идей позаимствовано у природы. Например, недавно ученые из Калифорнийского технологического института под руководством профессора Грир сконструировали сверхпрочный материал, который состоит из «нанобалок» нитрида титана. Каким образом нужно соединить структурные элементы, ученые подсмотрели у морских губок. Образовавшаяся нанорешетка на 85% состоит из воздуха, но во много раз превосходит по прочности исходный материал. А с ним вы наверняка встречались: он уже давно используется как жаропрочное покрытие для стальных деталей, а также… для изготовления зубных протезов и окраски куполов православных церквей, так как в быту похож на золото.

Листья лотоса и многих других тропических растений практически не задерживают воду на своей поверхности. Наноматериалы, копирующие структуру поверхности листа, уже сейчас продаются в качестве супергидрофобного (водоотталкивающего) и суперолеофобного (маслоотталкивающего) покрытия.

Зная исходный принцип, можно разработать покрытие с совершенно противоположными свойствами — супергидрофильное. Такие материалы можно использовать для изготовления мембранных фильтров для глубокой очистки воды. В нашем организме их роль играют белки аквапорины, в большом количестве содержащиеся в почечных канальцах.

Производство наноматериалов

Естественно, какими бы чудесными ни были свойства наноматериалов, главным критерием их массового внедрения является дешевизна производства. Как правило, в лаборатории ученые имеют дело с небольшими образцами. Так, описанный выше наноструктурированный нитрид титана был получен в виде кубика с ребром 1 мм. Этого достаточно, чтобы измерить его характеристики, но согласитесь — говорить о промышленном производстве еще рано.

В настоящее время ученые используют два основных подхода для получения наноструктурированных веществ: разработка «снизу вверх» и «сверху вниз». Как можно догадаться, первый подразумевает сборку наноматериалов из отдельных атомов, а второй, наоборот, основан на дроблении более крупных агрегатов.

Оба подхода имеют свои недостатки. Если в случае разработки «снизу вверх» главной проблемой будет неупорядоченная организация получаемых частиц, то подход «сверху вниз» обеспечивает высокую точность, но очень трудозатратен. Поэтому в настоящее время внимание большого количества ученых направлено на изучение управляемой самоорганизации наночастиц. Особенно большие надежды связывают с разработкой принципов неравновесной самоорганизации. А это не что иное, как принцип устройства живых организмов. Нужно признать, что в создании наноструктур и наномеханизмов природа все еще далеко впереди нас.

Ниже перечислены некоторые последние достижения наноматериаловедения, которые, возможно, через несколько лет изменят наш мир до неузнаваемости.

Графен

Это вещество, за открытие которого была выдана Нобелевская премия по физике в 2010 году, является поистине чемпионом по количеству опубликованных о нем научных статей. И заслуженно: спектр уникальных свойств и применений графена поражает воображение. И это несмотря на то, что получить материал можно с помощью всего лишь куска графита и канцелярского скотча! Некоторые оптимисты уже сейчас считают, что XXI век будет веком графена. Что же в нем такого особенного?

В первую очередь, в отличие от всех предметов, окружающих нас, графен — двухмерный материал. По сути это плоскость, состоящая из атомов углерода, образующих шестиугольники, как в пчелиных сотах. Поэтому графен обладает самой высокой удельной поверхностью — он сам по себе лишь поверхность.

Как и его трехмерный прародитель (графит), графен — хороший проводник. При этом благодаря двухмерности его удельное сопротивление при комнатной температуре ниже, чем у серебра, а теплопроводность в 10 раз выше, чем у меди. Стоит ли упоминать, что транзисторы на основе графена намного быстрее кремниевых? И это все при том, что материал прозрачный и гибкий.

Графен обладает также уникальными механическими свойствами: он тверже и прочнее, чем алмаз, но при этом может быть растянут на четверть своей длины. Так, по словам нобелевских лауреатов 2010 года, графеновый гамак площадью в квадратный метр способен выдержать вес 4-килограммового кота и при этом сам будет весить меньше миллиграмма — как кошачий ус.

В довесок ко всем уникальным свойствам графена их можно еще и регулировать, например с помощью магнитного поля, различных подложек либо путем создания композитных материалов. А если проделать в нем нанометровые отверстия, то из графена можно делать эффективные фильтры для опреснения воды!

В отличие от многих других наноматериалов массовое производство графена относительно дешево и уже активно осваивается ведущими производителями электроники.

Топологические изоляторы

Это материалы, являющиеся диэлектриками внутри, но имеющие на поверхности атомы, в которых электроны могут находиться близко к зоне проводимости. Поэтому движение электронов в топологических изоляторах возможно лишь по поверхности. Как следствие, возникающее сопротивление минимально, и электрон может легко разгоняться практически до скорости света без обратного рассеяния и разогревания проводящего слоя.

Принципиальная возможность их существования была предсказана в 2007 году, и уже вскоре были получены материалы, обладающие нужными свойствами: селенид и теллурид висмута.

Благодаря своим свойствам топологические изоляторы могут в недалеком будущем стать заменой полупроводникам. Дополнительным их преимуществом над полупроводниками является малая чувствительность к примесям. К тому же по сути они являются одновременно и проводниками, и собственными изоляторами.

Еще одной примечательной особенностью таких материалов является то, что спин (магнитный момент) электронов в поверхностном слое квантово-механически связан с его импульсом. До сих пор на атомарном уровне физики могли манипулировать лишь электрическими (но не магнитными) полями. Создание же топологических изоляторов позволяет надеяться, что скоро этот технологический пробел будет ликвидирован и откроется дорога к принципиально новому классу устройств, основанных на «спинтронике» (по аналогии с электроникой). А это уже прямой путь к созданию квантовых компьютеров, способных производить вычисления, для которых современным суперкомпьютерам потребовалось бы астрономическое количество времени.

Мемристоры

Более 40 лет назад китайский физик Леон Чуа теоретически предсказал существование «недостающего» четвертого базового элемента электрической цепи, связывающего электрический заряд и магнитный поток. В дополнение к хорошо известным резисторам (связывающим ток и напряжение), конденсаторам (напряжение и заряд) и катушкам индуктивности (ток и магнитный поток) он описал свойства гипотетического элемента — мемристора.

В 2008 году группа ученых из Hewlett-Packard сообщила в журнале Nature о первом реальном устройстве такого типа. Оно состояло из нанопленки (50 нм) оксида титана, зажатой между титановым и платиновым электродами (каждый в 5 нм толщиной). Уникальным свойством прибора является его способность изменять собственное сопротивление и таким образом хранить информацию, а размеры (к 2010 году инженеры HP довели их до 3×3 нм) и скорость работы (1 ГГц) делают очевидным их огромный потенциал.

К концу 2013 года компания планирует наладить серийный выпуск первых устройств памяти на базе мемристоров, которые в скором времени призваны заменить «громоздкие» flash, SSD и т. д.

Что касается научной ценности мемристоров, то их открытие потенциально может совершить переворот в нейронауке. Дело в том, что собранные в достаточно несложную цепь устройства ведут себя подобно человеческим нейронам. Первые эксперименты уже показали, что такие цепи способны на «запоминание» и «забывание» информации, причем обучение происходит по тому же принципу, по которому работают клетки в нашем головном мозге. Ценность такого свойства для разработки искусственного интеллекта очевидна.

Метаматериалы

Создавать что-то новое — в человеческой природе. Если чего-то не существует самого по себе, то почему бы это не сделать. Метаматериалы — это полностью искусственные устройства, обладающие свойствами, которых в природе попросту нет. Они состоят из упорядоченных наноэлементов, например наноэлектрических цепей. Строгая организация усиливает свойства отдельных элементов и позволяет метаматериалам проявлять их в макромире.

В результате метаматериалы проявляют ряд уникальных электромагнитных, оптических, акустических, механических и других свойств. Так, первая 10-микрометровая двухмерная «шапка-невидимка» была создана именно с помощью метаматериала на основе наноколец золота и полиметилметакрилата (оргстекла). Наноэлементы «шапки» расположены таким образом, что свет, падающий на ее поверхность, огибает материал по контуру и выходит с противоположной стороны без искажения. Поэтому для наблюдателя и «шапка», и предмет в ней невидимы. Похожий принцип может быть применен для защиты зданий от землетрясений — путем обведения сейсмических колебаний вокруг объекта, находящегося под защитой.

Другое применение метаматериалов — это так называемые суперлинзы. Они состоят из искусственного материала, имеющего отрицательный коэффициент преломления. Суперлинзы позволяют фокусировать свет на участке меньше длины волны, открывая тем самым новые горизонты в оптической микроскопии: они позволят непосредственно наблюдать биологические макромолекулы (ДНК и белки) и создавать еще более миниатюрные компьютерные чипы. Акустические аналоги суперлинз в будущем улучшат качество УЗИ-диагностики.

Перечислять достижения нанотехнологий можно долго, так же как и фантазировать на тему нашего нанобудущего. Но нужно четко понимать, что нанотехнологии — это не волшебство и не панацея. Технологическая революция — это непрерывный процесс, от каменного века и до наших дней. Он происходит здесь и сейчас, творится руками движимых любопытством людей и для людей.

Источник