Ред. Шевченко В.Я. БЕЛАЯ КНИГА по НАНОТЕХНОЛОГИЯМ:
Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий)

Оглавление

Введение

По сложившейся в развитых странах практике принято публиковать по тем или иным проблемам (политическим, социальным, экологическим, научно-техническим и т.п.) так называемые "цветные" книги. В рамках открытого общества различные организации или группы населения, публикующие такие книги, информируют власть, общественность своей страны и международное сообщество о ситуации, сложившейся в той или иной области человеческой деятельности или окружающей нас среды. Ярким примером такого подхода является публикация во многих странах Красных книг (об исчезающих видах растительного или животного мира), Зеленых книг (об экологической безопасности) и т.д. Белые книги, как правило, публикуются в тех случаях, когда надо беспристрастно и объективно изложить ситуацию в производственной, энергетической или какой-либо научно-технической проблеме.

В последние 5–7 лет особое внимание правительственных структур, крупных частных компаний, научно-педагогической общественности привлекает ситуация, сложившаяся в специфической сфере так называемых "нанотехнологий". Начало этому положил выход в свет проекта "Национальная нанотехнологическая инициатива", подписанного президентом США Б.Клинтоном в январе 2000 года. Вскоре такие же проекты появились в Японии и странах Евросоюза. Эти государства связывают с развитием работ в этом направлении серьезные успехи в медицине, информатике, энергетике и других областях жизни, включая безопасность и оборону. Евросоюз, как направление успешного развития наноиндустрии, положил в основу программу развития химической промышленности. В США, Евросоюзе, Японии и ряде других стран национальные программы по нанотехнологии определяют главенствующую роль фундаментальных исследований природы наномира и инновационный характер продуктов наноиндустрии.

Появлению этих документов предшествовало серьезное обсуждение проблемы широкими кругами ученых, инженеров, производителей и коммерсантов и не только формирование направлений будущей работы, но и высказывание определенного мнения о перспективности развития проблемы.

Российские ученые неоднократно ставили перед органами исполнительной власти вопрос о развитии этой проблемы. Эта инициатива была поддержана министром РФ И.И.Клебановым, и в 2003 году было проведено первое совещание по этой проблеме. В 2004 году Федеральное агентство по науке и инновациям разработало "Концепцию развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года". В декабре 2005 года Департамент государственной научно-технической и инновационной политики Министерства образования и науки РФ подготовил доклад "О состоянии и перспективах работ в области развития нанотехнологий в РФ". В 2006 году появилась "Программа развития в РФ работ в области нанотехнологий и наноматериалов".

Российская академия наук сформулировала ряд программ Президиума РАН, направленных на исследование фундаментальных основ наносостояния, и начала их финансирование.

Координирующую роль в объединении усилий фундаментальных и прикладных наук взял на себя Комитет по науке, культуре, образованию, здравоохранению и экологии Совета Федерации Федерального собрания РФ. По поручению Председателя Совета Федерации С.М.Миронова был создан Координационный совет по развитию нанотехнологий, которому удалось добиться главной цели – провести широкое и гласное обсуждение проблемы нанотехнологий среди ученых, предпринимателей и промышленников. Под эгидой Координационного совета в 2006 году было проведено Первое всероссийское совещание ученых, инженеров, предпринимателей и промышленников, посвященное развитию наноиндустрии в России. Координационный совет обратился в различные организации с просьбой представить краткие результаты, достигнутые в последние годы в области химии, биологии, физики, промышленности и образования. Эти результаты и представляют собой основу Белой книги, первый вариант которой был издан в 2006 году.

С тех пор ситуация изменилась кардинально. Президент России В.В.Путин в апреле 2007 года в своем послании Федеральному собранию поставил приоритетную задачу развития работ по нанотехнологиям. Началось "строительство" наноиндустрии. Президентская инициатива "Стратегия по развитию наноиндустрии в России" стала мощным импульсом в формировании национальных институтов в области нанотехнологий. Под руководством первого вице-премьера С.Б.Иванова создан Совет по развитию наноиндустрии, Президентом подписан Указ о создании государственной корпорации в области наноиндустрии, создана Комиссия по нанотехнологии в РАН, возглавляемая первопроходцем отечественной нанотехнологии академиком Ж.И.Алферовым, в Минобрнауки РФ разработана сетевая программа координации работ.

В Российской Федерации, да и во всем мире идет осмысление самой проблемы наносостояния и основных направлений развития наноиндустрии. Главный вопрос – что такое нанотехнологии? Что такое наносостояние? Эти вопросы далеко еще не определены. А ведь правильная формулировка задачи – основа ее успешного, а главное, оптимального решения. Поймают ли эти сети рыбу?

Второе издание Белой книги является своеобразной инвентаризацией и наших научных, образовательных и производственных кадров, и того, что они успели сделать за это время.

Глава 3

Академик В.Я.Шевченко. Химическая самоорганизация в технологии наночастиц (нанотехнологии)

Наномир – это часть пространства, в котором из атомов, путем самоорганизации, формируется вещество, живое или неживое. Именно поэтому среди величайших научных загадок XXI века, опубликованных в журнале Science, для химиков сформулирована такая (N18): "Как синтезировать сложные химические вещества на основе принципов самоорганизации?".

Каковы движущие мотивы самоорганизации?

Процессы самоорганизации сложных систем лежат в основе технологии наноструктур, поскольку на определенном уровне размеров (30–50 нм) технология "сверху вниз" слишком дорога и ее необходимо заменить технологией "снизу вверх". При этом следует иметь в виду, что при синтезе биологических объектов из природных сред в кодах ДНК имеются коды, корректирующие случайные ошибки копирования, следовательно, для самоорганизации неорганических веществ нужно исследовать программы аналогичного типа.

Идеи возникновения сложных структур путем самоорганизации отдельных компонентов вследствие их локального взаимодействия, а не влияния внешних факторов, лежат в основе действия "клеточных автоматов". Сейчас уже ясно, что образование структур не имеет произвольного характера и не может быть случайным.

Можно задать по отношению к неорганической структуре тот же вопрос, что и к биологической. Принимая во внимание сравнимую сложность некоторых минералов и молекулы протеина можно спросить: "Где гены в паулингите?". Сегодня мы можем утверждать, что отрицательный ответ невозможен. Это само по себе является первым шагом в решении проблемы самоорганизации неорганических веществ. Некоторые поверхности постоянной энергии в обратном пространстве, известные в физике твердого тела как поверхности Ферми, являются весьма подобными некоторым периодически минимальным поверхностям. Периодические минимальные поверхности составляют сущность геометрии упаковок двумерных компонентов больших интегральных трехмерных схем, необходимых для широкомасштабных процессов компьютерной реализации клеточных автоматов. Таким образом, выясняется, что должны быть структуры в масштабах, б\'ольших, чем атомный, т.е. наноуровень.

Соответствие между периодической минимальной поверхностью и специфическими характерными поверхностями силикатов и лиотропных коллоидов впервые было отмечено A.Mackay и S.Andersson в 1979 и 1982 годах. Очевидно, что периодические минимальные поверхности присутствуют и в минералах, и в живом мире и являются структурными инвариантами. Так как эквипотенциальная поверхность однозначно определяется распределением точечных зарядов и (с некоторыми оговорками), наоборот, электростатическая эквипотенциальная поверхность в CsCl должна быть подобна периодической P-поверхности. Однако, вообще говоря, эквипотенциальная поверхность не является минимальной поверхностью.

Рассмотрим четыре концепции для понимания организации неорганических и других структур.

Ячеечная структура (локальный принцип)

Уже известные сечения структур Вороного (Коркина–Золотарева) и полиэдры с плоскими гранями. Следующий этап – разделение на ячейки с искривленными гранями. Периодически минимальные поверхности. Пластины или поверхности, проявляющиеся как доминанты второго уровня наблюдаются не только в биологических объектах – липиды и лиотропные коллоиды, но и в силикатах, сферолитах, цилиндрических хризотилах.

Клеточный автомат

Слои, сформированные в пространстве и времени взаимодействием соседних элементов. Развивает общий подход, который позволяет нам уйти из жестких рамок классических пространственных групп и объяснить не только классическую симметрию но и явления биологического морфогенеза, и существование локальных апериодических структур на наноуровне.

Внутренняя кривизна

Является важнейшим фактором самоорганизации, так как прямо связана со свойством пространства. Это развитие идей, высказанных Коксетером (1961), о том, что некоторые конфигурации, обнаруженные в случайных структурах (додекаэдр), соответствуют плотным упаковкам в пространстве других размерностей. Напряжение в структуре может быть выражено как кривизна в пространстве большей размерности. Совмещение двух структур различной кривизны (или различной метрики) будет приводить к растворению слабого звена. Многие структурные свойства возникают вследствие соревнования ближнего и дальнего порядков.

Самоорганизация

Процесс, в котором происходит нечто нетривиальное, причем происходит само собой, без видимых причин и внешнего вмешательства. Слово синергетика в переводе с греческого означает "совместное действие". По существу синергетика состоит из математических моделей явлений самоорганизации. Многие из явлений, происходящих в различных областях, описываются одинаковыми базовыми моделями. В синергетике часто приходится создавать модели явлений заново, вывести их из первых принципов практически невозможно. Синергетика – наука о самоорганизации развивающихся систем. Для того чтобы реализовать указанные выше процедуры, необходимы определенные математические операции.

Необходимо и достаточно, чтобы существовали непрерывные взаимно однозначные преобразования, отображающие друг на друга два топологических пространства. Связь между данным континуумом и его знаковой схемой несет в себе понятие изоморфизма (когерентности). Сферическая геометрия должна лимитизировать функцию, которую можно ассоциировать с видом энергии. Необходимо объединить топологию, геометрию и анализ, для того чтобы непрерывно деформировать поверхность, вырезать места слишком большой кривизны и придать поверхности формы, известные геометрии.

Одним из наиболее плодотворных методов такого кодированного описания структурных особенностей является рассмотрение структур как состоящих из атомных слоев, уложенных друг на друга в определенной последовательности.

В общем случае систему эквивалентных точек можно подразделить на две или большее число подгрупп (с соответствующим увеличением размеров элементарной ячейки), если необходимо, или, наоборот, две системы эквивалентных точек, имеющихся в структуре, при некоторых обстоятельствах можно объединить в единую систему, соответствующую структуре более высокой симметрии. В соответствии с этим может быть сформулирована концепция производных структур (первый подход) и вырожденных структур (второй подход). Решеточный комплекс будет определяться как ансамбль эквивалентных точек, которые связаны друг с другом операциями симметрии данной пространственной группы, включая трансляцию решетки.

Аналитическое описание структурных типов на основе метода двоичной алгебры, развитого Лебом, по существу является описанием на основе решеточных комплексов, в которых расположение атомов в структуре представляется в виде матрицы распределения.

Наконец, множество химических процессов, приводящих к синтезу веществ (таких как переход слоев алюмосиликата в решетку), может быть выражено в терминах теории катастроф (прыжковые переходы с гистерезисом). Итак, основные элементы геометрической концепции следующие:

–Внутренняя кривизна пространства. –Иерархия. –Локальная теорема. –Минимальные поверхности.

Структуры представляют собой разные уровни организации. Некоторые структуры несут информацию, описывающую другую структуру. Определяющим смыслом всего описания, как начального этапа построения всей системы организации вещества, является атомистика.

Утверждение, что конечная упаковка в евклидовом пространстве совсем не обязательно должна быть фрагментом бесконечной евклидовой структуры, – является основным. В частном случае конечная упаковка может быть и фрагментом кристалла, тогда нет препятствий для использования методов классической кристаллографии.

Структурное многообразие наномира определяется тем, что конечные упаковки могут представлять собой фрагменты некоторых "родительских" структур, которые не обязательно существуют в трехмерном евклидовом пространстве. Такие структуры мы будем называть фундаментальными.

Истинная химическая или физическая природа упаковываемых субъединиц является вторичной (будь то атомы или белковые молекулы и т.д.).Геометрия предопределяет и формирует структурную модель (универсальный оптимум) еще до того, как выбраны конкретные атомы или другие упаковываемые субъединицы и конкретные потенциалы взаимодействия.

Геометрия – это больше, чем просто способ описания. Это – отражение свойств пространства, в котором существуют нанообъекты.

Расслоение в общем случае является многообразием, а согласно теореме любое многообразие всегда может быть изометрически вложено в евклидово пространство соответствующей (большей) размерности, в котором мы имеем возможность выбрать фундаментальную структуру.

Таким образом, трехмерные структуры наночастиц оказываются производными от некоторых фундаментальных n-мерных структур; ими же определяются правила структурных трансформаций в наночастицих и когерентного объединения на первый взгляд несовместимых структурных блоков между собой (вопреки правилам классической кристаллографии).

Заключение

Экспериментальная техника для наблюдения атомных упаковок в настоящее время столь разнообразна и информативна (мы находимся в начальной стадии новой инструментальной революции), что это привело к обнаружению многих замечательных структур, включая объекты, размер которых меняется от нескольких ангстрем до миллиметров. Кристаллы теперь можно рассматривать как одно из многих состояний организованной материи. Это структурное многообразие требует новых подходов к структуре вещества, начинающихся на уровне атомов с дальнейшим построением каждого уровня в иерархии самоорганизации.

Элементы этого подхода сейчас развиваются и включают математический базис, теоретические расчеты и специфические модели для огромного потока новых экспериментальных наблюдений. Самоорганизация химических веществ определяется (в исследованных случаях) тенденцией атомов и других единиц (строительные блоки) к образованию плотнейших пространственных упаковок. Это строго доказано математически для широкого круга потенциалов взаимодействия, поэтому химическая или физическая природа установленных атомов или атомных групп является вторичной.

Пространство, в котором явления самоорганизации имеют место, можно назвать наномиром или наносостоянием. Это позволяет определить нанотехнологические процессы с ясным физическим смыслом, в отличие от произвольного эмпирического "метрического" определения (от 1 до 100 нм).

К упомянутым выше элементам геометрической концепции следует добавить "квазиэквивалентность", а также "диалог вещества и информации", дающий ключ к пониманию порядка самоорганизации.

В последние годы нам удалось изучить некоторые свойства наномира и ввести термины "структурное многообразие наномира",/ "структурная неоднородность", "геометрические структурные комплексы", "локально-минимальные многообразия". На основе этих представлений объяснены и визуализированы структуры наночастиц-кентавров, органо-металлических кеплератов, гигантского кластера палладия, икосаэдрического алмаза, капсида вируса папилломы и т.д. Как видно, такой подход одинаково применим к неорганическим, органическим и биологическим объектам, что, вероятно, самое важное. Конвергенция минеральных и биологических структур весьма возможна в наносостоянии.