Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Доктор Авурис отмечает, что по интенсивности процесс излучения на несколько порядков превышает аналогичные процессы в балк-полупроводниках. Это, по его мнению, объясняется более сильным взаимодействием электронов и дырок, вызванным «одномерным» характером структуры нанотрубок.

Открытие униполярной люминесценции позволит определять микродефекты наноматериалов, в том числе и нанотрубок. Для более наглядного подтверждения эффекта фотолюминесценции доктор Авурис и его коллеги создали полевой транзистор на основе нанотрубки. Вход и выход устройства состоят из слоев палладия толщиной 20 нм и слоя титана толщиной 0,5 нм. Транзистор находится на подложке из полиметилметакрилата (PMMA), что создает диэлектрическую среду для работы транзистора.

«Механизм свечения нанотрубок в инфракрасном диапазоне схож с аналогичными явлениями в светоизлучающих макроскопических светодиодах, – отмечает Авурис. – Однако в нашем случае фотоэмиссия более интенсивна вследствие специфической морфологии нанотрубок. Есть еще одно важное отличие от макросветодиодов: нанотрубке не нужен допинг для формирования фотосистемы. Также нанотрубки излучают свет по всей своей длине, что довольно необычно».

Особый интерес представляют уникальные свойства квантовых точек, в частности оптические и фотолюминесцирующие эффекты, при которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а взаимодействие электронов и вакансий приводит к флуоресценции (табл. 8). Квантовые точки обладают достаточно узким и симметричным пиком флуоресценции. В зависимости от размера и состава (типа) квантовых точек флуоресценция может наблюдаться не только в видимой части спектра, но и в ультрафиолетовой или инфракрасной области.

Так, квантовые точки ZnS, CdS и ZnSe флуоресцируют в ультрафиолетовой области, CdSe и CdTe – в видимой, а PbS, PbSe и PbTe – в ближней инфракрасной области (порядка 7003000 нм). Более того, квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от размера флуоресцируют разными цветами.

Таблица 8. Характеристики некоторых квантовых точек

При этом из указанных полупроводниковых соединений получают гетероструктуры, оптические характеристики которых отличаются от исходных свойств «материнских» соединений. Наиболее распространенной технологией является эпитаксия (наращивание) оболочки более широкозонного полупроводника (например, ZnS) на ядро из узкозонного (например, CdSe).

Указанные уникальные свойства, наряду с более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуоресцирующими материалами, обеспечивают прекрасные возможности широкого использования квантовых точек в различных оптических и электронных устройствах будущего. Наиболее прогрессивными и многообещающими отраслями могут стать производство сверхминиатюрных светодиодов (возможно, дисплеев) и оптических сенсоров, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств, фотодетекторов в инфракрасной области, солнечных батарей, генераторов белого света, флуоресцирующих маркеров и фотосенсибилизаторов в медицине и многие-многие другие.

Несколько слов стоит сказать о различных свойствах аэрогелей, потенциально востребованных промышленностью.

В обычном состоянии аэрогели полупрозрачны, но за счет рассеяния видимого света (аналогично протекающему рассеянию земной атмосферы) на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отраженном свете и светло-желтыми в проходящем свете.

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, которые при высокой гигроскопичности (возможности поглощения и удержания излишков влаги) являются хорошими теплоизоляторами. Они свободно пропускают видимый солнечный свет, но эффективно поглощают его инфракрасное (тепловое) излучение.

Кварцевый аэрогель обладает самой малой плотностью из всех известных в настоящее время твердых тел – 1,9 кг/м3, что всего в 1,5 раза выше плотности воздуха и в 500 раз ниже плотности воды. К тому же аэрогели обладают достаточно высокой температурой плавления – 1200 °C.

При чрезвычайно низкой теплопроводности (0,003 Вт/(м-К)), все эти свойства позволили уже сейчас успешно применять аэрогели в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в строительных конструкциях.

Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом, и обладают электропроводностью. За счет этого, а также огромной площади внутренней поверхности (до 800 м2/г), они уже используются в изготовлении суперконденсаторов значительной емкости (104 Ф/г и 77 Ф/см3).

В отличие от кварцевых, углеродные аэрогели поглощают до 99,7 % падающего на них излучения (в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм), что делает их эффективными поглотителями солнечного света для применения в солнечных коллекторах.

Основные функциональные свойства различных материалов, которые можно улучшить за счет применения наноматериалов и нанотехнологий, представлены в табл. 9.

Таблица 9. Свойства материалов, улучшаемые за счет применения нанотехнологий и наноматериалов

Наночастицы обладают комплексом самых разных и уникальных свойств. Многие из них еще не полностью изучены, а некоторые, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают перед человечеством огромный потенциал принципиального изменения современного состояния науки и техники и создают предпосылки к новой – третьей – технической революции, которая уже началась.

Прикладная нанотехнология

Термин «нанотехнология» обязан своим рождением научно-популярной литературе, его следует воспринимать как… завлекательный ярлык для привлечения инвестиций и общественного интереса.

Дональд Эйглер (Donald Eigler), научный сотрудник исследовательского центра IBM, США

Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

Прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц серебра и золота в стеклянную матрицу. Из такого материала изготовлены знаменитые римские рубиновые кубки, содержащие семь частей серебра и три части золота (70 нм каждая). В отраженном свете эти кубки кажутся зелеными, а при подсветке сзади меняют цвет от темно-красного до светлозолотистого (в том числе Кубок Ликурга, IV век, Национальный Британский исторический музей; на стенах кубка изображены сцены из жизни великого законодателя).

Из аналогичного материала и по аналогичной технологии изготовлены витражи во многих католических соборах Италии, Франции, Германии. Эти витражи не только создавали особое состояние, подчеркивающее таинство общения с Господом, но и, как оказалось, выполняли важную антибактериологическую (гигиеническую) роль.

Пресс-служба Технологического института Квинсленда (Австралия) сообщает об удивительных исследованиях профессора Чжу Хуай Юна (Zhu Huai Yong). Установлено, что наночастицы золотой краски, применяемой в убранстве внутренних помещений церквей, при освещении солнечным светом являются катализатором разложения летучих органических веществ (volatile organic chemical, VOC), которые даже в очень небольших количествах чрезвычайно вредны для здоровья людей. Воздух, насыщенный запахами и потом прихожан, испарениями горящих свечей, различными патогенными бактериями, очищается под действием наночастиц золота. Вредные органические соединения распадаются с образованием безопасного углекислого газа и влаги.

При этом оказалось, что воздух в богатых приходах, где больше позолоченных предметов, был значительно чище, чем в обычных домах прихожан. Именно поэтому размещение госпиталей в церквях во время эпидемий оказалось полезным и эффективным средством, так как больные здесь выздоравливали чаще и быстрее.

«Веками люди создавали эти великолепные произведения искусства, даже не задумываясь, что сегодня их цветные витражи назовут «фотокаталитическими очистителями воздуха на основе наноструктурного золота», – отметил руководитель исследовательской группы.

Как утверждается, средневековые мастера, знавшие секрет получения золотого рубина, умерли, а вместе с ними оказался утрачен и этот секрет.

Технология была восстановлена в советское время отечественными химиками и мастерами при изготовлении «рубиновых» звезд Московского Кремля в 1937 году (рис. 42).

Однако кремлевские «рубиновые» звезды уже не содержат в себе «ни серебра, ни злата». Они изготовлены путем введения в обыкновенное стекло селена в комбинации с другими химическими соединениями, получившими название «селенового рубина». Звезды, созданные с применением селенового стекла, много дешевле золотых, но не уступают им по насыщенности и глубине цвета, а медные даже значительно превосходят (http://supercook.ru/glass-history-10.html).