Нанотехнологии: настоящее и будущее

Древние египтяне и греки несколько тысяч лет назад использовали вещество с наночастицами – минерал галенит, соединение на основе свинца. Это вещество древнеегипетские и древнегреческие красавицы применяли для окрашивания волос. Наночастицы галенита легко проникают внутрь волос и окрашивают их в черный цвет.

Австралийцы рисовали узоры на лицах красками, содержавшими природные наночастицы

Древнеегипетские красавицы красили волосы галенитом – веществом с наночастицами

Долгое время никто даже не подозревал, что наночастицы образуются и в самом обыкновенном мыльном растворе. Эти частицы, мицеллы (в переводе с латинского «крошечки»), придают мылу столь сильные моющие и дезинфицирующие свойства.

Средневековые мастера, изготавливавшие стекла для витражей соборов и замков, заметили, что крохотные частички золота меняют цвет в зависимости от своих размеров. Они могут быть зелеными, оранжевыми, красными, пурпурными. Добавляя эти частички в стекольную массу, можно получить разноцветные стекла изумительной красоты.

То же самое происходило, если золотые частички подмешивали в глазурь, которой покрывали затем дорогие изделия. Старинные мастера умели создавать истинные произведения искусства, но объяснить, почему изменяется цвет золотых частичек, они не смогли бы.

В лаборатории алхимика, ищущего рецепт превращения свинца в золото

Или вот еще один пример. В Карелии, вблизи Онежского озера царь Петр I повелел создать курорт Марциальные воды, первый в России. Целебная сила этих вод была давно известна. Но только сотни лет спустя после основания курорта удалось выяснить причину целебности марциальной, или шунгитовой, воды.

Причина же состоит в том, что на воду источника воздействует залегающий здесь минерал шунгит, содержащий природные наночастицы. Они-то и делают воду полезной для здоровья.

Любопытно, что шунгит, как полагают ученые, образовался в давние-предавние времена в результате падения огромного метеорита. Сильнейший удар космической глыбы о землю породил и минерал шунгит, и чудодейственные частицы.

Что такое «нано»

Греческое слово «нанос» переводится как «гном», «карлик». От этого слова и произошла приставка «нано», означающая одну миллиардную часть любой меры длины. Например, один нанометр меньше метра в один миллиард раз, или равен одной миллионной доли миллиметра.

Вообразить такую величину, на много меньшую микроскопической, почти невозможно. Мы привыкли к другим размерам, значительно большим. Их называют макроскопическими.

Один из витражей, украшающих Кельнский собор

Толщина человеческого волоса равна примерно 50 тысячам нанометров. Величина микроба – это сотни нанометров. Опыты показывают, что наш глаз без микроскопа способен разглядеть объект размером не менее 10 тысяч нанометров. Где уж тут увидеть микроорганизмы, не говоря об атомах и молекулах.

Размер атома водорода, самого маленького атома из всех, – около одной десятой нанометра. Сказать иначе, на отрезке в один нанометр могут поместиться бок о бок десять водородных атомов. Меньше нанометра также небольшие молекулы, свободно блуждающие в пространстве. Нанонаука занимается изучением мельчайших частиц, размер которых хотя бы по одному параметру из трех (ширине, длине, высоте) равняется от одного до ста нанометров.

Мир наночастиц – особый, совершенно отличный от привычного нам большого макромира. При наноразмерах основные, или фундаментальные, химические, физические, электрические, оптические свойства совсем другие, чем при макроразмерах. В подтверждение этого только один пример.

В школе все изучают закон Ома, определяющий зависимость между силой электрического тока, его напряжением и сопротивлением проводника. Для «большого» провода этот закон строго соблюдается. Однако он уже не действует, если сечение провода имеет размер в один атом. В обычных условиях электроны могут двигаться по проводнику свободно. Другое дело – по нанопроводу. Тут они должны идти лишь строем, гуськом, по одному, то есть совсем не по закону Ома.

Старинный собор в немецком городе Кельне

Чтобы ясно представить изменения, происходящие с веществом при переходе в наномир, мысленно разрежем большой куб из чистого золота на восемь равных кубиков. Разумеется, свойства каждого из них останутся теми же, что и были.

Будем таким же образом разрезать наши золотые кубики все дальше и дальше. Даже когда они достигнут микроскопических размеров, свойства их не изменятся. Но так будет лишь до тех пор, пока мы не перейдем через границу наномира и кубики не превратятся в наночастицы. Тогда мы увидим, что цвет золота начнет меняться. Из желтого и блестящего оно превратится в красное, оранжевое, зеленоватое, в зависимости от размеров кубика.