 |
Отдельной отрасли науки, называемой нанонаукой,
не существует
Шамиль Шарипов, ООО «ProventaTech» (Ташкент)
20.09.2019
В межгосударственном стандарте ГОСТ ISO/TS 80004-1‒2017 «Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения», который является переводом
на русский язык терминологического словаря ISO/TS 80004-1:2015, разработанного Техническим комитетом ISO/ТC 229 по нанотехнологии при
Международной организации по стандартизации (ISO), отсутствует термин «нанонаука».
Термину "nanoscience"
в ISO/TS 80004-1:2015 в стандарте ГОСТ ISO/TS 80004-1‒2017 поставлен в соответствие термин «научные основы нанотехнологии». Так предписано применять.
А что же по сути?
Природные явления на наноразмерном уровне были предметом изучения естественных наук еще задолго до того, как приставку «нано», обозначающую
одну миллиардную часть единиц физических величин, стали применять не по прямому назначению, а присоединять к различным словам: «материал»,
«технология», «частица», «структура» и т.д.
В 1915 году была издана книга Вольфганга Оствальда «Мир обойденных величин. Введение в современную коллоидную химию с обзором ее приложений»,
которая затем многократно переиздавалась. Ее целью было привлечь внимание научной общественности к дисперсным системам,
по степени дисперсности лежащим между
молекулярно-дисперсными растворами и грубыми дисперсиям. В книге
эти дисперсные системы были обозначены как «истинные коллоиды». Называя
эти дисперсии миром
обойденных величин, Оствальд пишет, что «только теперь мы знаем, что каждое тело приобретает особые свойства и показывает своеобразные явления,
когда частички его больше размеров молекул, но все же еще так малы, что их нельзя различить в микроскоп». В заключительном разделе своей книги
Оствальд говорит о неисчерпаемости практического применения коллоидной химии. Сегодня коллоидная химия
— большая область химической науки,
изучающая свойства веществ в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах. Большинство веществ, независимо от
их химического
состава, структуры, геометрической формы, агрегатного состояния, могут быть получены в дисперсном состоянии, которое обеспечивает появление
у них специфических свойств.
Одним из примеров практического использования специфических
свойств веществ этого «мира обойденных величин» является
разработка и практическая реализация технологии получения
материалов на основе высококонцентрированных керамических
вяжущих суспензий задолго до того, как появилось
название «нанотехнология». В 60-х годах прошлого века, в связи с гонкой вооружения и необходимостью создания ракет нового поколения, возникла
необходимость в создании принципиально нового жаростойкого материала.
Результатом решения этой задачи стала технология получения
изделий из прозрачного кварцевого стекла, включающая его дробление и мокрое измельчение при пониженной влажности, шликерное литье и обжиг.
Уже тогда достигнутая высокая механическая прочность отливок объяснялась образованием при мокром помоле плавленого кварца
высокодисперсных коллоидных частиц.
В 1977 году была издана монография «Ультрадисперсные металлические среды» (И.Д. Морохов,
Л.И. Трусов, С.П. Чижик), посвященная достижениям в исследованиях ультрадисперсных (наноразмерных) частиц.
В этой монографии была представлена теория
формирования ультрадисперсных частиц, методы их получения (диспергирование в твердой и жидкой фазах, осаждение из растворов, термическое
разложение, газофазный синтез, плазмохимический синтез и др.),
рассмотрены многообразие их уникальных физических свойств
и направления дальнейших
исследований и новых применений.
Сегодня частицы дисперсий с размерами в диапазоне 1–100 нм,
обладающие специфическими свойствами, отсутствующими как у
атомов и молекул, так и объемных веществ, называют наночастицами.
Специфические свойства наночастиц обусловлены появлением зависимости физических и химических свойств наночастиц от их размеров (размерными эффектами)
в диапазоне размеров ниже 100 нм, начиная с определенного размера, характерного для каждого физического и химического явления. Появление этих
свойств и их особенности объясняются с позиций таких наук как физика и химия. Так, например, зависимость температуры плавления от размера наночастиц
объясняется тем, что атомы внутри наночастиц испытывают дополнительное поверхностное давление, которое изменяет их энергию Гиббса.
Анализируя зависимость энергии Гиббса от давления и температуры, можно вывести уравнение, связывающее температуру плавления и радиус наночастиц
(уравнение Гиббса–Томсона). Используя это уравнение, можно оценить размер, с которого свойства наночастиц начнут отличаться от свойств объемного
материала. Или, например, специфические оптические свойства наночастиц описываются с помощью электромагнитной теории Максвелла. Решения уравнений
Максвелла, которые были найдены Ми, Зоммерфельдом и другими еще в начале 20 века, полностью применимы для описания специфических оптических свойств
металлических наночастиц сферической формы. В настоящее время электромагнитная теория Максвелла является основой для изучения многообразных
оптических явлений на нанометровом уровне. Другой пример — это объяснение на основе законов физики перспективности применения нанокомпозитов
для создания термоэлектрических преобразователей с повышенной добротностью. В 1899 году Релеем была получена формула для сечения рассеяния
электромагнитной волны на частицах, распределенных в сплошной среде. Из этой формулы видно, что если точечные дефекты в сплавах рассеивают
коротковолновые фононы, то наночастицы будут дополнительно рассеивать фононы со средними и большими длинами волн, что может значительно уменьшить
теплопроводность материала. Низкая теплопроводность материала для термоэлектрических преобразователей является одним из условий получения высокой
термоэлектрической добротности преобразователей. Поэтому сейчас нанокомпозиты считаются перспективным материалом для создания термоэлектрических
преобразователей с повышенной добротностью. Можно также отметить исследования специфических свойств мономолекулярных слоев, выполненные Ирвингом
Ленгмюром в 1930-х годах. В 1932 году ему была присуждена Нобелевская премия по химии за открытия и исследования в области химии
поверхностных явлений. Технология получения моно- и мультимолекулярных пленок, разработанная Ирвингом Ленгмюром и его ученицей Кэтрин Блоджетт
(метод Ленгмюра–Блоджетт), активно используется в производстве современных электронных приборов.
Сказанное выше относится и к другим специфическим свойствам наночастиц, возникающим благодаря размерным эффектам. Всплеск интереса к исследованию
физических и химических явлений на нанометровом размерном уровне в начале ХХI века обязан появлению новых технических возможностей, позволивших управляемо
создавать наноразмерные объекты, а также инструментальных методов их изучения. Эти исследования расширили и продолжают расширять знания об изучаемых
физикой и химией явлениях за счет получения знаний об этих явлениях в материальных объектах, размеры которых лежат в диапазоне, который Вольфганг
Оствальд назвал миром обойденных величин. Размеры этих объектов являются лишь параметрами состояния
вещества наряду с другими параметрами. Мы же не говорим, что когда при изменении такого параметра, как температура, электрическая
проводимость некоторых металлов при низких температурах приобретает специфическую температурную зависимость (возникает сверхпроводимость), то нужна какая-то отдельная
наука, изучающая это явление. Изучение этого явления является предметом физики и расширяет знания об электрической проводимости веществ. Таким образом,
то, что сейчас называют нанофизикой и нанохимией, являются разделами таких наук, как физика и химия соответственно, а не разделами какой-то новой
науки — нанонауки. То же относится и к техническим наукам. Так, например, наноэлектроника является разделом технической науки «электроника», как и
микроэлектроника, которая таковой всегда и была.
Появление новых технических возможностей, позволивших управляемо создавать наноразмерные объекты, а также инструментальных методов их изучения
не только дало возможность расширить знания о физических и химических явлениях на наноразмерном уровне, но и привело к созданию новых технологий
изготовления наноразмерных объектов и изделий на их основе, которые получили название «нанотехнологии».
А отдельной отрасли науки, называемой нанонаукой, не существует.
Примечание
В науке при изучении новых явлений возникает необходимость новым понятиям, связанным с этими явлениями, дать названия. Эти новые названия
(слова или словосочетания) могут быть официально признаны и закреплены в виде терминов, либо вместо них в виде терминов могут быть введены
новые слова или словосочетания, более точно отражающие сущность этих понятий. При этом прежние названия могут сохраниться в профессиональной среде в виде
неофициальных слов, употребляемых в разговорной речи (например,
с целью так называемой «языковой экономии»). Такие слова называют профессионализмами.
Слово «нанонаука» следует рассматривать как профессионализм — вместо него стандартом ГОСТ ISO/TS 80004-1‒2017 закреплен термин «научные
основы нанотехнологии». Поэтому слово «нанонаука» может использоваться в разговорной речи для «языковой экономии», но не в учебной
литературе, научных статьях и прочих материалах. Не следовало бы использовать это слово журналистам и другим лицами в средствах массовой
информации, чтобы, как говорит
Герман Кричевский, не морочить голову молодым ученым и обывателям.
|
