Микрочастицы – «дьявол во плоти» наномира. Часть 1

«Возможно, в современном мире считается хорошим тоном чинить препятствия революционным открытиям и душить их в зародыше вместо того, чтобы поддержать и помочь. Эгоистические интересы, педантизм, глупость и невежество идут в атаку, обрекая ученых на горькие испытания и страдания, на тяжелую борьбу за существование. Такова судьба просвещения. Все, что было великого в прошлом, поначалу подвергалось осмеянию, презрению, подавлялось и унижалось, чтобы позднее возродиться с большей силой, победить с еще большим триумфом...» Никола Тесла. 1905 год

Наномир — мир «закрывающих» технологий

Странные превращения происходят с техникой в последние годы. Возьмем хотя бы радиотехнику. Вначале появились простые радиоприемники, и их совершенствование происходило по пути расширения функций (увеличивалось количество диапазонов, улучшалось качество звука, наконец, появился не только звук, но и изображение). Это привело к развитию их конструкции за счет обилия и разнообразия узлов и деталей, а значит, размеров и веса оборудования.

По той же причине проблематичной стала их ремонтопригодность. Стали конструкторы думать, что делать. И решили использовать в радиотехнике известный и до этого, например, в машиностроении, принцип агрегатирования. Появились отдельные агрегаты — приемник, проигрыватель, телевизор и т.д… А потом стали комбинировать их в различные многофункциональные агрегаты — комбайны. Люди постарше помнят этих мастодонтов — радиокомбайны, которые одно время даже были признаком «крутизны» обладателя. Да только эти комбайны обладали странным свойством — они никогда не работали полностью, ибо из-за нагромождения составляющих блоков резко уменьшалась надежность комбайна, и чаще всего в нем работала лишь одна-две функции. Механическая стыковка отдельных единиц оборудования оказалась бесперспективной затеей. И тогда вспомнили также об известном блочно-модульном подходе, когда оборудование как бы расчленяли на функциональные блоки и модули (блок питания, усилитель, блок развертки и т.п.), а потом комбинировали из них самое сложное оборудование, скрупулезно следя за тем, чтобы блоки одного назначения не повторялись.

Эта идея оказалась чрезвычайно плодотворной не только в радиотехнике, но и в химии. Одно время кафедра, которой я тогда заведовал, выполнив целый ряд успешных проектов блочно-модульных установок по всему Советскому Союзу, оказалась даже в числе головных в тогдашней стране по созданию на основе таких установок так называемых «гибких автоматизированных производственных систем» в химической промышленности (аббревиатуру многие помнят по машиностроению — ГАПС). Успех был оглушительным. Я никогда не забуду, как нам с аспирантами удалось заменить три крупных химических цеха, работавших по технологии флагмана химии — международной корпорации BASF, на одну сравнительно компактную ГАПС той же производительности, разместившуюся в углу одного цеха. Замечу, что мы без особенной волокиты получили тогда не только добрый десяток советских авторских свидетельств на эту установку, но и 6 зарубежных патентов. Однако пришли девяностые, страна развалилась, интерес к революционным направлениям почему-то угас.

Но законы развития систем неумолимы, и уже в ближайшие годы, когда мы очнемся от политического наркоза, следует ожидать возрождения интереса к этому перспективному направлению. В последние годы все большее распространение получают так называемые «закрывающие» технологии, названные так потому, что их использование делает ненужными огромное количество широко распространенных производств и, соответственно, лишает работы тех, кто там трудится. Классическими примерами сегодня стали технологии, связанные с миниатюризацией техники. Возьмем хотя бы телевизионную и радиотехнику. Где сейчас крупные радиозаводы, выпускавшие огромные радиоприемники и телевизионные ящики? Сегодня появились радиокомбайны величиной с копейку, телевизоры в часах. Какому количеству специалистов пришлось найти себе другое применение из-за этого? Закрывающие технологии пришли и в вычислительную технику. Миниатюрные ноутбуки и карманные ЭВМ теснят сегодня даже персональные компьютеры, и… закрываются соответствующие производства. Современные продукты и производственные процессы уже трудно представить себе без миниатюризированных высокотехнологичных компонентов. Примеры триумфа закрывающих технологий миниатюризации техники можно продолжить и показать, что их массовый выброс на мировые рынки вызывает реструктуризацию всей существующей индустрии, что может привести к катастрофическим последствиям не только для большинства развивающихся, но и для вполне развитых стран, если не готовиться к этому и не предугадать события.

К счастью (или несчастью), для Украины наступление технологий, связанных с микроминиатюризацией радио- и вычислительной техники, прошло практически незамеченным, ибо совпало с громкими экономическими, политическими и социальными событиями. Мы закрыли практически все свои радиозаводы и заводы вычислительной техники, заменив их в лучшем случае «отверточными» предприятиями, где из китайских блоков и модулей наши умельцы ухитряются собирать жалкую имитацию западной и восточной миниатюрной техники. Дело это нехитрое. Мои студенты собирали из блоков неплохие компьютеры буквально под кроватями в общежитии. Тьма-тьмущая фирм и фирмочек занималась тем же по всей нашей стране, но дальше отверточной сборки дело не пошло. Не научились мы не только делать «китайские» платы и блоки, но даже собирать из готовых блоков изделия. Если оперировать терминологией системного анализа, мы не смогли опуститься на следующий иерархический уровень, у которого другой определяющий линейный размер.

Оказалось, что на этом уровне необходимо использовать совсем другие технологии, оборудование, измерительные средства. Я подчеркиваю: использовать их для решения вполне конкретных производственных задач, а не выдумывать новые технологии (к примеру, уже набившие оскомину так называемые «нанотехнологии»), а потом придумывать, где бы их повыгоднее применить. Но об этом немного ниже.

Нанотехнологии — апофеоз микротехнологий

Стремление к миниатюризации технических приборов стало в XXI веке одной из ведущих тенденций развития. Маркетологи предрекают микросистемной технике блестящее будущее. Доклад, опубликованный Европейской ассоциацией микросистемных технологий, дает основания полагать, что годовой прирост в этой области в ближайшие годы сохранится на уровне 20%. К аналогичным выводам пришли и американские эксперты (Venture Development Corp., Массачусетс). Причина столь стремительного развития в том, что продукция на основе микросистемных технологий становится все разнообразнее, а сфера ее применения неуклонно расширяется. К примеру, в каждом автомобиле, сходящем сегодня с конвейера, находится от 70 до 100 миниатюрных датчиков, обеспечивающих не только большую надежность и комфорт, но и экономию топлива.

Прогресс в развитии микротехнологий способствует успеху не только в традиционных, но и в сравнительно новых отраслях экономики, формирующихся на основе достижений наук о деятельности биосистем. Биохимики пришли к выводу, что клетка — это биологический микрореактор, который намного совершеннее тех, что были созданы химиками. И сегодня микрореакторы, использующие в качестве катализаторов так называемые иммобилизованные ферменты (несмотря на мудреное название, это достаточно понятные даже неискушенному читателю биологические катализаторы, созданные природой, привитые, пересаженные на неживой носитель для повышения их выносливости при работе в жестких условиях производства), все чаще покидают университетские лаборатории и применяются на химических производствах.

И все же апофеозом микротехнологий стали не микросистемная техника и не биотехнологии, а нанотехнологии, которые, по мнению экспертов, по своему экономическому эффекту вскоре оставят далеко позади все микросистемные технологии. Жесткие диски для компьютеров огромной емкости, миниатюризированные быстродействующие чипы, улучшенные оптические выключатели, узлы и детали на основе полимеров вместо кремния — это лишь краткий перечень преимуществ, которые получат электроника и компьютерная техника благодаря нанотехнологиям. Широкие перспективы открываются перед транзисторами, изготовленными с использованием нанотехнологий из особой модификации углерода и обладающими гораздо большей производительностью, чем их аналоги из кремния.

Что же понимают под нанотехнологией? В Википедии (свободной энциклопедии) можно найти, что нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размером порядка нанометра. Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных технологий, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее (свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты). А чем, собственно, принципиально отличаются нанотехнологии от химической технологии? Ведь в последней тоже имеют дело с атомами и молекулами, используют для активации процессов взаимодействия веществ электромагнитные поля, лучи лазера, звуковые и световые поля (появился даже термин сонохимия, звукохимия). Чувствую, что вызову резкое противостояние ученых, которые успешно оседлали нанотехнологию прежде всего для того, чтобы прильнуть к финансовому корыту, и для инициирования дискуссии осмелюсь декларировать, что нанотехнологии — это те же химические технологии, которые реализуются физиками, плохо освоившими химию.

Иногда читаешь такие фразы о нанотехнологии, как «Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные» (все та же Википедия), и думаешь, что уж химия — точно молекулярная технология. Так что, видимо, отличия у этих технологий лишь в методах воздействия на молекулы. Действительно, все чаще приходится читать, что в нанотехнологии в основном сейчас рассматривается возможность механического манипулирования молекулами и создание самовоспроизводящихся манипуляторов для этих целей. А более глубокое знакомство с проблемой показывает, что нанотехнологические умельцы двигают чаще всего не молекулы, а наночастицы и пытаются осадить эти частицы на различные подложки, сверхтонкие пленки, внедрить в микрокапиллярно-пористые структуры. Однако химики испокон веку занимаются теми же задачами. Видимо, термин «нанотехнологии» все же не очень удачен, ибо охватывает и химические технологии. Следовало бы акцентировать внимание на используемых методах, к примеру, назвать эти технологии механо-манипуляционной химией или как-то в этом духе.

Впрочем, дело не в названии, а в сути этого прогрессивного направления развития техники. Попытаемся проанализировать причину столь трудной его судьбы в Украине. Системный анализ показывает, что эту причину надо искать на одной из четырех основных стадий процесса:
1. Получение остаточно чистого, а лучше — особо чистого исходного вещества, удаление из него посторонних субмикронных и наночастиц.
2. Получение наночастиц.
3. Манипулирование наночастицами.
4. Очистка выбросов от зачастую токсичных нано- и субмикронных частиц.

Не будем касаться собственно нанотехнологических пунктов 2, 3. Оставим их на совести профессионалов. Остановимся лишь на первом и последнем пунктах. Заметим сразу, что очень часто именно эти стадии являются лимитирующими, ключевыми для всего процесса, и именно они определяют на ближайшие годы, а может, и десятилетия, судьбу, успех нанотехнологий в Украине.
 

Трагедия производств особо чистых веществ в Украине

Была когда-то в украинской химии подотрасль — производство химических реактивов и особочистых веществ, входившая в крупное союзное объединение «Союзреактив». Сегодня оставшиеся предприятия этой подотрасли так и не сумели выйти на уровень конца девяностых и производят преимущественно химические реактивы традиционным методом — очисткой технического сырья, что никак не может обеспечить потребности инновационных технологий, в том числе нанотехнологий, из-за очень хилой номенклатуры продукции. Резко сузилась номенклатура синтетических, то есть собственно химических производств. Самое печальное, что рыночные механизмы хозяйствования отнюдь не способствовали сохранению и дальнейшему развитию того достаточно высокого интеллектуального потенциала, которым подотрасль обладала к моменту прихода рынка.

Химики умели и умеют получать вещества высочайшей степени чистоты отработанными много лет тому назад методами (ректификацией, адсорбцией, зонной кристаллизацией, с помощью мембранных технологий, экстрагированием и др.). Да вот незадача, не умеют они удалять из веществ твердые субмикронные и наночастицы. Никакие фильтры их не отфильтровывают, никакие вышеупомянутые методы не помогают. А проблема настолько остра, что у наших соседей в России академик Г.Девятых в свое время в одиночку получил Государственную премию, хотя и не решил проблему до конца. Из-за этой нерешенной проблемы (из-за неудаленных микрочастиц) мы так и не научились делать микросхемы со сколько-нибудь приличным выходом пригодной продукции (надо бы поучиться нам у китайцев), нормальную волоконную оптику (вам никогда не приходилось глотать отечественный и японский зонд с волоконно-оптическим кабелем? Сравнение далеко не в пользу нашего «полена» все из-за тех же субмикронных частиц).

А проблема оказалась шире и труднее: «зловредные» частицы нужно удалять не только из исходных жидкостей (металлоорганических соединений — хлоридов титана, кремния, германия), но и технологических жидкостей — апротонных растворителей — диметилформамида, диоксана и других, применяемых в микротехнологиях. Самым же трудным оказался пункт 4 — ни один традиционный метод удаления микрочастиц из жидкостей и газов (в том числе при газоочистке) не оказался успешным. Кстати, в вопросах газоочистки от микрочастиц задачи нанотехнологии и химической технологии смыкаются с задачами промышленной экологии, что, впрочем, пока не помогло их решению.

Аэрозольно-субмикронная драма

Впрочем, вернемся к п. 1. О глубокой очистке исходных веществ немного написано выше. Немного, ибо в Украине достаточно разработок современных технологий и высокоэффективного оригинального оборудования для этого, и особых проблем здесь нет. Разве что отсутствие активного эффективного менеджмента для реализации инновационных разработок. Хуже с удалением из исходных продуктов (жидких и газообразных) вредоносных субмикронных и наночастиц.

Решили мы с моими аспирантами объявить войну субмикронным и наночастицам, а заодно аэрозолям и туманам, используя развиваемые в нашей научной школе креативные методы. Да изойдет злой демон! Проблема оказалась сложной хотя бы потому, что вся патентная информация по этим вопросам оказалась закрытой. Все дело было в том, что вещество приобретает совершенно новые свойства, если взять очень маленькую его частицу. Частицы размерами от 1 до 1000 нанометров (которые, собственно, и называют наночастицами) у некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства. Например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. А в случае жидких микрочастиц, правильнее — микрокапель (туманы, аэрозоли), оказалось, что давление внутри этих капель обратно пропорционально их размеру (дисперсности, если использовать научную терминологию). Последний эффект позволял получать самые неожиданные эффекты в технологии. К примеру, всего-навсего диспергировав жидкий мономер до микрокапель, удается провести его полимеризацию за счет огромного давления внутри капель при нормальном давлении  в аппарате. Поэтому и секретничали патентоведы бывшего Союза.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трехмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок и т.д., двумерные объекты — пленки, получаемые методами молекулярного и ионного наслаивания, и одномерные объекты — вискеры (эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры). Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, который применяется в электронике.

Итак, критический, определяющий уровень ясен — микрочастицы в газе или жидкости, осталось найти соответствующий его характеристикам метод воздействия. Здесь наши пути разошлись. Для удаления микрочастиц из газов один из наших сотрудников (теперь он ушел в технологический бизнес и имеет несколько своих предприятий инновационной направленности, в частности, НПП «Ноосфера») предложил использовать традиционную очистку — с помощью электрофильтров. Но не простых, а фильтров, работающих в так называемом наносекундном режиме...