29 марта 2017 в ОТИ НИЯУ МИФИ состоялся научно-популярный семинар, посвящённый нано-материалам. Докладчиками семинара выступили профессора челябинских университетов. Они рассказали о своих многолетних теоретических и экспериментальных исследованиях в области нано-материалов. Слушателями семинара были преподаватели, сотрудники и студенты ОТИ НИЯУ МИФИ, сотрудники градообразующего предприятия ФГУП «ПО «Маяк», ООО «ОПЗ», школьники физико-математического лицея (МБОУ «Лицей № 39».
Приставку нано- добавляют к названию объекта, если его размер вдоль одного из измерений лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. Наука о нано-материалах стала бурно развиваться около 20 лет назад, с появлением первых атомных силовых и туннельных микроскопов. Эти физические установки были одновременно первыми инструментами и для исследования нано-объектов, и для манипулирования ими. Группы атомов углерода, структурированные на нано-масштабе, обладают уникальными характеристиками. Для перехода от этапа фундаментальных исследований к внедрению нового материала необходимо решить основную задачу материаловедения – разработать технологию изготовления материала с заданным свойством или совокупностью свойств.
Первый докладчик – доктор физико-математических наук, профессор Беленков Евгений Анатольевич – возглавляет в ЧелГУ группу теоретиков. Его группа занимается модельными расчётами различных конфигураций углеродных нано-структур, используя молекулярно-механические, полуэмпирические квантово-механические и первопринципные методы. По результатам расчёта можно судить, будет ли конфигурация устойчивой и предположить, какими электрическими, механическими и прочими свойствами она будет обладать. С 2010 года в ряде лабораторий по всему миру уже созданы и экспериментально исследуются полевые транзисторы на нано-трубках, но для замены обычных полевых транзисторов потребуется кардинально ускорить процесс производства нано-структур. Группой Беленкова проводятся расчёты нано-механизмов, позволяющих автоматизировать процесс создания нано-структур путём манипуляций с отдельными атомами. Это так называемая технология атомной сборки. Данная технология позволит уйти от преобладающих в настоящее время технологий многоступенчатого дробления или крайне сложных физико-химических методов синтеза нано-материалов. Моделируются структуры, недавно синтезированные группой экспериментаторов из Великобритании. Так, например, были смоделированы графановые слои (слой графена, покрытый слоем атомов кислорода, фтора или водорода). Поскольку один слой – проводник, а второй – диэлектрик, структура может оказаться применимой в нано-электронике.
Вторым слово взял доктор физико-математических наук, профессор Песин Леонид Абрамович – руководитель научно-исследовательского центра «Низкоразмерный углерод». Центр создан в ЮУрГГПУ в 2001 году на базе научно-исследовательской лаборатории физики твердого тела имени профессора С.В. Шулепова. Сотрудники центра исследуют способы создания квазиодномерных углеродных структур методом радиационной карбонизации полимеров. Совместно с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией данный метод позволяет осуществлять постепенную модификацию приповерхностного слоя образца путем увеличения поглощенной дозы, а также одновременно контролировать протекающие в образце процессы. Один из наиболее перспективных исходных материалов для карбиноидных структур – поливинилиденфторид (ПВДФ). При облучении данного материала в вакууме практически любым видом ионизирующего излучения (40-106 эВ), а также быстрыми ионами и электронами в остаточных газах увеличивается концентрация фтор- и водородсодержащих соединений, но не углерода или содержащих его соединений, т.е. происходит карбонизация приповерхностного слоя образца. Эксперименты показывают, что полностью избавиться от «лишних» атомов фтора и водорода не удаётся. Исследователей привлекает высокая реакционная и адсорбционная способность «чистых» углеродных нано-структур, которая может быть использована в фильтрах и при утилизации жидких отходов. Однако есть основания считать, что в случае полной карбонизации получившиеся нити начнут слипаться друг с другом, а кинетика процесса будет подобна фазовому переходу с мгновенным выделением теплоты перехода.
Третьим докладчиком стал доктор физико-математических наук, профессор Бескачко Валерий Петрович – заведующий кафедрой компьютерного моделирования и нано-технологий ЮУрГУ. Докладчик проанализировал текущее состояние науки о нано-материалах и подвел итоги 20-летнего пути. Если говорить о динамике роста мирового нано-рынка, то к 2010 году его суммарный объём превысил 1 трлн. долларов, доля России – не более 0,05%. Если говорить о географии научных центров в области нано-технологий, то лидерами по количеству центров являются США, Европа, Япония, Китай, Австралия. По количеству центров Россия отстаёт даже от стран Южной Америки. Ситуация выглядит ещё более тревожной, если учесть, что российские научные центры в основном занимаются направлениями нано-индустрии, которые лидеры не считают приоритетными и где конкуренция существенно ниже. Одно из приоритетных направлений, крайне прибыльное и с жесточайшей конкуренцией – это нано-технологии в медицине. В ближайшие годы прогнозируется высокий рост применения нанотехнологий в электронике (30,3%), биомедицине (56,2%) и в потребительской сфере (45,9%). Сегодня на мировом рынке представлено более 800 потребительских продуктов, произведенных с помощью нанотехнологий: электроника, одежда, косметика, продукты питания, фармпрепараты, бытовая техника.
Отвечая на вопросы аудитории, докладчик отметил, что нано-технологии – не единственная бурно развивающаяся наукоёмкая отрасль, в основе которой лежат квантовые представления. Выросшая из квантовой механики, квантовая информатика в настоящее время включает такие разделы, как квантовая криптография, квантовая телепортация и квантовые вычисления. Слово «телепортация» заставляет вспомнить фантастические книги и фильмы. В настоящий момент речь идёт об экспериментах с парами частиц, находящихся в так называемых сцепленных состояниях. В квантовой криптографии исследуются квантовые линии связи. Согласно современным представлениям скрытый перехват сообщения, передаваемого по такой линии, невозможен. Идея квантовых вычислений основана на суперпозиции состояний квантового объекта. Замена битов, каждый из которых одновременно находится лишь в одном из двух состояний, на квантовые логические ячейки способна привести к росту вычислительной мощности компьютеров на многие и многие порядки. Современный квантовый компьютер – это довольно сложная установка, нуждающаяся в криогенном охлаждении и до настольных квантовых компьютеров пока еще очень далеко.
Нано-технологии, несомненно, являются технологиями будущего, но будущее не исчерпывается только ими. Уже сейчас имеются направления науки и техники, способные произвести не менее масштабные изменения.