«Наука в Сибири» РАДИАЦИЯ И НАНОСТРУКТУРЫМодными 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 «Theres 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., 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.).
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.
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.
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.
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 |