РАДИАЦИЯ И НАНОСТРУКТУРЫ
Модными ныне словами «нанонаука» и «нанотехнологии» объединяются
понятия, связанные с возникновением в последнее десятилетие
«новой отрасли знаний о малых размерах». В частности, в слове
нанометр (нм) приставка «нано» говорит, что мы имеем дело с
размером, равным одной миллиардной метра. Основной целью работ в
этой отрасли является поиск средств манипулирования частицами с
размерами порядка атомов и молекул для создания новых веществ или
для изменения известных материалов. По-видимому, Р. Фейнман был
первым, кто обозначил перспективы нанонаук. В своей знаменитой
лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» в 1959 году Фейнман
заявил, что ученым нужно начинать исследования с целью поиска
подходов к созданию инструментов, позволяющих работать на атомных
масштабах.
Сергей Бардаханов, д.ф.-м.н.,
гл. научн. сотр. ИТПМ СО РАН,
профессор НГТУ
 |
|
Употребление «нанослов» вызывает неоднозначную реакцию
общественности. Скептики не без оснований считают, что ученые
различных областей знания и исследователи в промышленности еще со
времен открытия молекул и атомов были вовлечены в наноработы, а
новые слова понадобились только для того, чтобы истребовать
крупные вложения в научную сферу развитых стран в период застоя.
Однако оптимисты видят в названиях с наноприставками отражение
новой философской основы для объединения усилий в познании
свойств материи в области перехода от микро- к наноуровню.
Ключевым моментом является проявление квантовых свойств веществ в
этой области размеров. В целом «нанотехнологические» подходы
сейчас широко применяются, например, к задачам генетики,
электроники, материаловедения, а также к разработке широкого
круга новых промышленных процессов и устройств. Хотя примеров
практического применения наноподходов еще немного, но
увеличивающееся количество новых продуктов оказывает все большее
давление на рынок.
Группа сотрудников институтов Сибирского и Дальневосточного
отделений РАН с участием специалистов промышленности, движимая
общей идеей, что существенные эффекты могут проявляться при
взаимодействии различных излучений с веществом в наноразмерном
диапазоне, предприняла осуществление работ в рамках
Междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных
исследований СО РАН «Радиационная физико-химия и радиационные
технологии наноразмерных материалов» (2003-2005 гг.).
 |
| Содружество физиков и химиков: ведущий инженер М. Голковский,
ИЯФ; д.ф.-м.н. С. Бардаханов, ИТПМ; ведущий инженер А. Лаврухин, ИЯФ;
к.х.н. В. Гончаров, ИК; д.т.н. Р. Салимов, ИЯФ; к.ф.-м.н. В. Володин, ИФП. |
В проекте участвовали институты Ядерной физики им. Г. И. Будкера,
Катализа им. Г. К. Борескова, Физики полупроводников,
Неорганической химии, Химии и химической технологии,
Теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича,
Кемеровский филиал Института химии твердого тела и механохимии
СО РАН, Институт химии ДВО РАН (Владивосток), НПФ «Кварц» (Тюмень),
Новосибирский электровакуумный завод, ОАО «Катод» (Новосибирск).
Научными координаторами проекта были академик В. Бузник, д.х.н.
Б. Бальжинимаев, д.т.н. Р. Салимов, д.х.н. Л. Игнатьева,
д.ф.-м.н. С. Бардаханов, а ученым секретарем — к.х.н. Ю. Танашев.
Конечно, такое объединение случилось не на голой почве. Помимо
известного мирового опыта, все участники, представлявшие научные
организации, имели солидный задел в решении фундаментальной
проблемы синтеза и модификации наноразмерных материалов с
использованием радиационного воздействия электронными пучками,
рентгеновским излучением, электромагнитным излучением в СВЧ,
видимом и УФ диапазонах. Например, в ИЯФ и ИТПМ уже четырнадцать
лет проводятся исследования по созданию промышленного способа
получения нанопорошков методом испарения твердых исходных
материалов электронным пучком с высокой концентрацией мощности
(до 5 МВт на кв. см). Особое значение для проекта имело наличие
высококлассной базы для изучения физико-химических свойств
получаемых наноразмерных веществ и материалов. Ведь выбор методов
их характеризации является сложной междисциплинарной проблемой, и
участие ИК, ИФП, ИНХ и других организаций обеспечивало глубокое и
всестороннее изучение получаемых веществ современными методами. В
то же время, глубокая осведомленность вышеперечисленных
организаций в практических вопросах способствовала выявлению
возможных областей применения. В конце концов, выполнение проекта
могло привести к созданию основ высокопроизводительных технологий
получения наноразмерных веществ и материалов на их основе.
 |
| Волокнистые структуры в нитриде алюминия |
В ходе напряженной работы действительно был получен ряд новых
результатов. В частности, показано, что в разработанных процессах
могут получаться порошки высокой чистоты: оксидов — диоксида и
оксида кремния (SiO2, SiO), оксида магния (MgO), оксида алюминия
(Al2O3), закиси меди (Cu2O); металлов — тантала (Ta), молибдена
(Mo), алюминия (Al), серебра (Ag) и некоторых других, в
различных атмосферах; полупроводника — кремния (Si); нитридов — алюминия
(AlN), титана (TiN); и других веществ. Все они были в
той или иной мере исследованы, и наиболее важным результатом было
подтверждение их нанодисперсности, причем, по крайней мере, для
некоторых веществ установлена возможность регулирования средних
размеров частиц в порошке. Например, диоксид кремния, полученный
испарением кварца в воздухе, имел средний размер частиц 22 нм, а
в нем имелись в немалом количестве и частицы с размерами 6-8 нм.
Для тантала, наиболее тугоплавкого, или, точнее сказать, наиболее
трудноиспаряемого металла с температурой испарения около 5500
градусов Цельсия — выше только рений и вольфрам — при испарении
в аргоне были получены порошки со средним размером около 50 нм.
Высокая производительность способа (для диоксида кремния
достигнута скорость испарения 6 кг в час, а потенциально при
мощности 100 кВт в имеющейся установке можно получать до 20 кг в
час) позволяет говорить о перспективности промышленного
использования технологии. Для проверки этой возможности в
настоящее время при поддержке инвестора проводятся испытания
опытной линии с использованием промышленного
ускорителя ЭЛВ. Цель этой деятельности — подтверждение ряда
характеристик, закладывавшихся в предварительный бизнес-план, и
получение опытных партий нанодисперсных порошков диоксида
кремния, которые должны быть опробованы по назначению конкретными
потребителями.
 |
| Кольцо расплава кварца из реактора |
К практическим результатам тесно примыкают и фундаментальные
данные об особых свойствах других веществ. По крайней мере, для
некоторых полученных порошков удалось показать, что наночастицы
формировались в существенно неравновесных условиях, что
проявлялось в их строении и свойствах. В частности, оказалось,
что нанодисперсные порошки кремния, полученные радиационным
испарением кремния полупроводниковой чистоты в аргоне, имеют
искаженную кристаллическую решетку, а при воздействии на них
ультрафиолетовым излучением при комнатной температуре светятся в
видимом спектральном диапазоне. Сильный коротковолновый сдвиг
максимума фотолюминесценции, по-видимому, объясняется эффектом
размерного квантования электронов и дырок в нанокристаллах
кремния с малыми размерами. Эти интересные научные факты могли бы
найти применение в высокоэффективных устройствах наноэлектроники,
например, памяти.
Существенным дефектам и другим особенностям в наночастицах
серебра, полученных испарением в аргоне, сопутствовала высокая
активность порошка в каталитических приложениях. По-видимому, эти
данные также имеют большое значение, как в научном плане, так и в
прикладном.
Нанопорошки гексагонального нитрида алюминия были получены при
вариации условий испарения алюминия в азоте. В целом морфология
частиц была довольно сложной. В порошке имелись относительно
крупные частицы сферической формы с размерами в несколько микрон.
Однако они имели развитую чешуйчатую структуру поверхности, на
которой присутствовало большое количество частиц с размерами
менее 100 нм. В то же время в порошке наблюдались необычные
волокнисто-грибовидные структуры (представленные на фотографии) с
поперечным размером менее 200 нм. При желании здесь можно увидеть
сродство живой и неживой природы! Еще интересно, что порошок при
контакте с водой выделял аммиак. В этом случае, по-видимому, имел
место эффект, описанный недавно в работах других авторов для
высокодисперсного нитрида алюминия, полученного методом
электрического взрыва проволочки. Соответствующие результаты
отражены в совместных публикациях участников проекта.
 |
| Обсуждение результатов работ на опытной установке получения
нанодисперсных порошков |
Кооперация в работах по радиационному модифицированию
политрафторэтилена характеризовалась тесным взаимодействием
теоретиков, экспериментаторов и специалистов промышленности.
Полученные в результате фторопластовые порошки с наноразмерной
структурой, возможно, могут существенно дополнить номенклатуру
уже широко использующихся фторполимерных материалов.
Далее, результаты исследований позволяют предполагать, что
воздействие на ультрадисперсные алмазы электронными пучками
приводит как к влиянию на химические свойства (вследствие
изменения состояния и состава поверхностных групп), так и на
физические свойства (благодаря появлению радиационных дефектов
кристаллической решетки и центров со специфическими связями). Эти
данные, как и результаты исследования люминесценции
ультрадисперсных алмазов, также могут иметь большое практическое
значение.
Ранее участниками проекта было предложено считать нанопорошки
новым типом сплошной среды, в которой число частиц сопоставимо с
числом «молекул воздуха». Исследования свойств таких сред были
продолжены в рамках данного проекта. Получены экспериментальные
данные о течениях наноразмерных порошков. Показано, что порошки
текут так же, как жидкости и газы. Впервые использован
термоанемометрический метод для измерений в «гранулированной»
среде. В практическом плане результаты могут быть полезны для
анализа типов движений в производственных процессах с
присутствием нанопорошков, где в настоящее время используются
сугубо эмпирические сведения. К числу важных «попутных»
результатов можно отнести данные о том, что в некоторых случаях
воздействие электронным пучком приводит к восстановлению металлов
из оксидов и нитридов, и что по просьбам промышленных предприятий
изготовлены некоторые пробные керамические детали из
наноразмерных порошков.
В целом, разноплановое взаимодействие участников проекта привело
к интересным результатам. Но еще более важно, что совместная
работа позволила создать крупные заделы для дальнейших
исследований, усовершенствовать подходы и методики, прояснить
направления работ, которые будут продолжены, обозначить
практические применения в различных отраслях промышленности. И, в
конце концов, просто подружиться! По-видимому,
Междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН — хорошая форма
поддержки исследований на стыках наук, позволяющая обеспечить
формальное и неформальное объединение усилий, пусть пока и при не
очень крупных финансовых вливаниях.
Фото В. Новикова
стр. 5
|
