Наноматериалы и нанотехнологии: настоящее и будущее, 2017 г.

Бауронова Наталья Ивановна, доктор технических наук, декан факультета ДТМ.

Лекция «О нанотехнологиях и наноматериалах» для прикладных математиков МАДИ 19.06.2017

1. Лекция «Инструментарий и хронология достижений»

В соответствии с определением, наноматериалы — это материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нанометров (нанометр — 10-9 м), и обладают качественно новыми свойствами. В 1959 году Р. Фейман предложил создавать новые материалы путем сборки малоразмерных объектов (атомов, молекул, их групп). В 1965 г. Р. Фейнману была присуждена Нобелевская премия по физике за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имеющие глубокие последствия для физики элементарных частиц.
Раньше использовались понятия «надмолекулярное соединение» или «надмолекулярная структура» для объектов, имеющих наноразмеры.
Термины «нанообъект», «наноматериалы», «нанотехнология» используются с начала 1980-х годов. Термин «нанотехника» ввел в 1974 г. японский ученый Н. Танигучи. В 1982 года Г. Биннингом и Г.Рорером был изобретен сканирующий туннельный микроскоп, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. Изобретение специальных микроскопов дало скачок в развитии нанотехнологии. В 1986 г. появился атомно-силовой микроскоп (АСМ) и его разновидности. АСМ был изобретен в США Г. Биннингом и К. Гербером. АСМ применяется для измерения рельефа поверхности, модификации поверхности, а также для манипулирования микро- и нанообъектами на поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, АСМ способен измерять рельеф образца, погруженного в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами. Сканирующие электронные микроскопы позволяют видеть наночастицы, к которым относятся объекты, имеющие размер от 10-9 до 10-7 м. Трансмиссионные микроскопы дают возможность видеть атомы, размер которых имеет порядок 10-10 м. В соответствии с принятой классификацией имеются следующие типы наноструктурных материалов: волокна, матричные и субмолекулярные наноструктуры, кластерные структуры, фуллериты, нанопленки, нанотрубки. Наноструктуры материалов могут принципиально отличаться от микроструктур. Наноструктуры можно считать уникальным состоянием вещества, и в этой области много предстоит исследовать и описать с теоретической точки зрения. Нобелевские премии по результатам в области наноматериалов, нанотехнологий и наноэлектроники: 1973 г. Л. Есаки, И. Гевер, Б. Джозефсон — теоретическое предсказание и экспериментальное открытие туннельных изделий. 1985 г. К. фон Клитцинг — теоретическое предсказание и экспериментальное открытие туннельных явлений. 1986 г. Э. Руска — создание первого электронного микроскопа; Г.Биннинг, Г.Рорер — создание сканирующего туннельного микроскопа. 1996 г. Р. Смолли, Р. Курл, Г. Кротко — открытие фуллеренов. 1998 г. Р. Лафлин, Х. Штермен, Д. Туси — открытие дробного квантового эффекта Холла. 2000 г. Ж. Алферов, Г. Кремер, Дж. Килби — создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Странами с наибольшим объемом производства наноматериалов являются США и Канада (31 % ); Китай (16 % ); Япония (13 % ): Объем производства наноматериалов в России составляет 3% от мирового.

2. Научный метод: Судьба или Случай

2.1. Судьба (детерминизм): теория катастроф

В журнале «Теоретические основы химической технологии», 2016, т. 50, N 1, с. 122-128, опубликована статья Н.И. Бауровой, В.А. Зорина и В.М. Приходько «Оценка синергетического эффекта процесса накопления повреждений в полимерных материалах с использованием теории катастроф». В этой статье отмечается следующее. "Известно, что повреждения в полимерных материалах накапливаются постепенно, но при определенных условиях, разрушение происходит скачком <...>. Для объяснения внезапного разрушения такой системы волне допустимо использовать принципы синергетики и математический аппарат теории катастроф, которая широко применяется для анализа самых разнообразных объектов, от исследования биения сердца человека до теории элементарных частиц <...>. В технической литературе под катастрофой понимают скачкообразное изменение параметра, возникающее в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий <...>. Суть данного подхода состоит в том, чтобы построить синергетическую модель накопления повреждений в полимерном материале не на основании строгих математических моделей, а путем так называемого мягкого моделирования с использованием правдоподобных гипотез и качественных закономерностей. <...> В этой работе за катастрофу предлагается принимать время начала процесса формирования магистральной трещины, что приводит к необратимому изменению всех свойств полимерного материала <...> Описание изменения состояния системы производится с помощью математического аппарата теории катастроф <...>. Особенность предлагаемого алгоритма оценки коэффициента потери прочности полимерного материала состоит в том, что структура материала подразделяется на несколько уровней, отличающихся между собой масштабом.
Традиционное деление на три структурных уровня, а именно макроструктура, микроструктура и наноструктура, не очевидно, поскольку при таком подходе не учитываются надмолекулярный уровень и атомный уровень. Переход от одного уровня на другой происходит скачкообразно, тогда как внутри каждого уровня имеется постепенный рост функции V"

2.2. Господин случай: квантовая теория

Как отмечается в статье Н.И. Бауровой, В.А. Зорина и В.М. Приходько (п. 2.1), «особенность предлагаемого алгоритма оценки прочности полимерного материала предполагает разбиение структуры материала на масштабные уровни, причем оговаривается, что задача строгой классификации масштабных уровней не ставится. Если предположить, что среди масштабных уровней есть соответствующие надмолекулярному уровню, и масштабные уровни, соответствующие атомному уровню, то они должны описываться различными методами. Процессы, происходящие на атомном и наноуровне, описываются методами квантовой механики, на надмолекулярном уровне — методами молекулярной и физической химии, на уровнях макро- и микроструктур с использованием механики твердого тела. Тем не менее, работа предлагаемого алгоритма на всех уровнях основывается на теории катастроф, применяющейся для исследования поведения детерминированных динамических систем.

3. Перспективы и проблемы

3.1. Мир дискретен

Ничего случайного нет. Есть усреднение проекции наблюдаемого на существующий инструментарий наблюдателей. Есть противоречие между объемом уже доступной информации и задачами — методами её обработки, моделями. Есть проблема сближения «мягкого моделирования» со строгими математическими моделями. Есть проблема сближения теоретического и экспериментального естествознания.

3.2. Перспективы применения результатов нанонауки необозримы

3.3. Подрастает молодое поколение ПМ МАДИ, которое проложит уже не «мягкую», а бетонную дорожку к строгому математическому обоснованию. И будет помнить профессоров, которые определяли движение в нужном направлении.