Инкрементная нанотехнология подразумевает промышленное применение наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области создания композиционных конструкционных материалов с различными свойствами, защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других веществ.

В Институте прикладной нанотехнологии (г. Зеленоград) разработана технология модифицирования наноча-стиц монтмориллонита (бентонита) в натриевой форме в Ag-форму. В межслоевое пространство бентонита вводится серебро в ионной форме. При контакте с продуктами жизнедеятельности человека, содержащими натрий, калий и пр., происходит ионный обмен ионов указанных элементов на ионы серебра, которые длительное время сохраняют бактерицидное действие. Такими наночастицами обрабатывают поверхности силикона, ПВХ и ткани, используемые в производстве экзопротезов. На Международной выставке по изобретениям в Женеве в апреле 2006 года данная разработка удостоена Золотой медали. На основе этой технологии были созданы составы для нанесения бактерицидных покрытий на элементы интерьера автомобиля (детали из пластика, тканей, стекол, ковриков и т.д.). В 2006 году на Сеульском салоне изобретений SIIFразработка была удостоена диплома Всемирной организации интеллектуальной собственности { WIPO).

Продолжаются испытания по использованию наноча-стиц монтмориллонита с серебром в ионной форме в различных красках и лаках как на водной, так и масляной основе. Предварительные результаты очень обнадеживают, так как при продолжительном испытании окрашенных элементов не обнаруживается рост микробных колоний. Это дает возможность создавать стерильные помещения на орбитальных станциях, в больницах, школах, местах массового скопления людей, на птицефабриках и т.п.

Обрастание днищ судов — острая проблема экологической и экономической значимости. Так, например, для судна с «грязным» корпусом требуется на 40% больше топлива, чтобы двигаться с той же скоростью, что и судна с чистым корпусом, а это значительно увеличивает выбросы СО2 и других парниковых газов.

Существующие способы предотвращения биологического обрастания судов основаны на использовании биоцидов, убивающих биологические организмы. К ним относятся медь, мышьяк и токсичные органические соединения. Однако биоциды могут создавать проблемы для теплообменников опреснения воды, электростанций и океанографических датчиков.

На основе разработанной технологии получения бактерицидного состава в Институте прикладной нанотехнологии ведутся работы по созданию корабельных красок против обрастания биомассой днищ судов. Покрытия на основе этих красок проявляют бактерицидную активность, не позволяющую колониям микроорганизмов развиваться на такой поверхности.

Развернуты исследования, направленные на предотвращение обрастания судовых корпусов, в рамках проекта ЕС АМВЮ. Ученые из корпорации BASF сотрудничают в этом проекте с 30 деловыми и научными партнерами из 14 стран. Старт пятилетнего проекта начался в марте 2005 года. Проект включает в себя общий объем бюджета в размере 17,9 млн евро, из которых 11,9 млн будут предоставлены Европейским союзом. Цель проекта АМВЮ — использование наноструктур, значительно уменьшающих сцепление микроорганизмов, водорослей, моллюсков с поверхностью днищ судов в морской воде без использования биоцидов.

Бытовое применение нанотехнологии началось с разработки Cerax Nanowax немецкой компании Nanogate Technologies GmbH — продукта на основе химической нанотехнологии, создающего «умную» поверхность с многофункциональными свойствами. Это ультратонкое покрытие работает намного дольше, чем традиционные средства, которые, как правило, очень быстро исчезают. Например, содержащийся в нем воск способствует хорошему скольжению поверхности лыжи. «Умный» Cerax Nanowax застывает при низкой температуре, сливается с поверхностью лыжи и скользит по кристалликам снега. В зависимости от вида зимнего спорта, погодных условий и уровней профессиональной подготовки спортсмена выпускаются различные модификации данного продукта.

В последнее время наночастицы достаточно часто входят в различные ремонтно-эксплуатационные составы автохимии в качестве добавок к топливу и смазочным материалам. Нанотехнологии также широко применяются для нанесения износостойких композиционных наночастиц на рабочие поверхности при изготовлении специального металлообрабатывающего и стоматологического инструмента, защитных антикоррозионных и бактерицидных покрытий и в ряде других случаев. Например, сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с университетским филиалом «Угреша» и в сотрудничестве с рядом зарубежных фирм выполняют научно-исследовательские и производственные работы по созданию и нанесению наночастиц различных металлов на любую, включая мелкодисперсную (типа песка), подложку. Применяемая для этих целей плазменная технология совмещает процессы образования наночастиц и их напыления на поверхность и в несколько раз сокращает продолжительность процесса нанесения, а также уменьшает стоимость конечного продукта по сравнению с традиционными методами. Кроме того, характерные размеры наночастиц имеют достаточно малый разброс (не более ±30%) относительно среднего значения (в интервале от 20 до 50 нм), которое определяется технологическими параметрами работы установки.

В мире постоянно растет интерес к полимерным наноча-стицам и нанокомпозитам. Ежегодно проводятся международные выставки, симпозиумы, конгрессы и конференции, посвященные вопросам наноструктурных полимерных материалов. Так, если в 2001 году в Чикаго (США) и Монреале (Канада) состоялись две первые международные конференции по полимерным нанокомпозитам, а в 2002 году различным аспектам этой проблемы было посвящено более 10 форумов, то уже в 2003 году мировая научная общественность провела более 20 международных встреч по данной тематике.

В США, Японии, Франции, Канаде и Индии разрабатываются специальные программы по наночастицам и нанокомпозитам различного назначения на основе полимеров. Многие программы ориентированы на разработку полимерных материалов со специфическими свойствами для нужд медицины, военных целей, транспорта и т.д.

В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления — магнитное и электростатическое взаимодействие, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов) или различных квазичастиц. В соответствии с подходом К. Э. Дрекслера рассматриваются молекулярные и даже биомолекулярные нанотехнологии, однако они сводятся в основном к чисто механическим сборочным конструкциям.

Несомненно, использование многих других явлений и качеств, присущих наночастицам, в том числе квантовомеха-нических свойств, должно значительно расширить эти возможности. Например, в настоящее время научно-технической общественностью обсуждаются вопросы применения фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектрон-ных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазопо-добных пленок, сверхпроводящих материалов, а также синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Углеродные фулдерены уже применяются в качестве тонеров (красителей) для копировальных машин, позволяя существенно повысить качество получаемых копий, снизить расход красителя и общую себестоимость выполнения копировальных работ.

Планируется также использовать фуллерены в качестве основы для производства электрических аккумуляторных батарей. Такие элементы питания с принципом действия на основе реакции присоединения водорода во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым батареям, но обладают, в отличие от них, способностью аккумулировать примерно в пять раз больше водорода. В то же время подобные батареи характеризуются более высокой энергоемкостью, небольшой массой, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее современными в этом отношении аккумуляторами на основе лития, не говоря уже о кадмии. Эти аккумуляторы могут найти широкое применение в элементах питания переносных радиостанций, сотовых телефонов, персональных компьютеров (особенно ноутбуков), слуховых аппаратов и многих других портативных устройств.

Создание одежды из материалов на основе нановоло-кон — также одна из областей, где нанотехнология уже находит практическое применение. Такая одежда не пропускает ультрафиолетовые лучи, обладает антибактериальными и антигрибковыми свойствами, практически не промокает под дождем и почти не пачкается.

В табл. 4 представлены наиболее известные зарубежные фирмы, работающие в области создания наноматериалов и нанотехнологий.

Таблица 4. Некоторые наиболее известные зарубежные фирмы — производители наноструктур и товаров на их основе

К инкрементной группе следует также отнести различные зондовые нанотехнологий, например зондовую литографию и наноиндентирование.

Среди методов создания наноструктур зондовые методы нанолитографии наиболее доступны. С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомно-силового микроскопа, эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, сверхплотные локальные потоки теплоты (вызванные протекающими токами), а также локальные механические деформации.

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодифика-ции или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, наносятся линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой. Путем термомеханического стимулирования фазового перехода «полимер-стекло» обеспечивается формирование углублений в пленках поликарбоната размером до 100 нм. Термомеханическая литография является базовой идеей создания терабитных запоминающих устройств, разработанных компанией IBM.

Широкое распространение в зондовой литографии получил метод локального зондового окисления, который позволяет создавать оксидные области с типичными линейными размерами 3 нм.

Локальный управляемый межэлектродный поатомный массоперенос с применением силового туннельного микроскопа — в настоящее время единственный метод получения предельной миниатюризации при формировании нанораз-мерных объектов.

Различные методы зондовой нанотехнологии являются соединительным звеном между достаточно развитыми ин-крементными и находящимися на начальном пути развития эволюционными нанотехнологиями.

Достаточно широкое применение нашли нанотехнологии, основанные на гетероструктурах, в производстве полупроводниковых источников света — светодиодов.

В нашей стране первые открытия в этой области были сделаны Олегом Владимировичем Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории, еще в 1923 году. В книге «У истоков полупроводниковой техники: избранные труды», вышедшей в свет только в 1972 году, так описываются полученные им наблюдения: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА... Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света». О. В. Лосев умер в блокадном Ленинграде, отказавшись от эвакуации в глубь страны, и многие полученные им результаты были забыты.

Может быть, именно поэтому первые светодиоды были изготовлены за рубежом только в 1962 году, а уже в 1968 году появилась первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 году были созданы оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды такой мощности, что они были видны и при ярком солнечном свете. До 1985 года светодиоды использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 году светоотдача полупроводниковых диодов достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать равноценной заменой обычным лампам накаливания. В настоящее время светоотдача составляет более 60 лм/Вт.

Принципиальная схема современного светодиода показана на рис. 35. В корпусе из прозрачной пластиковой линзы 1, служащей для фокусировки света, на специальный кристал-лодержатель (основание) устанавливается полупроводниковый кристалл 3, свойства которого определяют цвет видимого света. К полюсам кристалла при помощи соединенитель-ных проволочек 2 подключаются контакты (катод и анод) от источника питания.

Рассмотрим принцип работы и процесс создания светодиодного прибора. Классическая схема изготовления свето-Диода заключается в следующем: на поверхности сапфирового кристалла (подложке) выращиваются кристаллические слои полупроводникового материала, например на основе гете-роструктур типа InGaN/ AlGaN/ GaN (индий-галлий-азот/алю-Миний-галлий-азот/галлий-азот), толщиной от 100 нм до 4,5 мкм (рис. 36).

Продолжительность эпитаксиального роста светодиодной структуры, способной излучать свет при пропускании через нее электрического тока, составляет около шести часов.

На основе полученной пластины изготовляются кристаллы, которые служат основой для изготовления полупроводниковых приборов. На полученной пластине методами фотолитографической обработки, реактивного ионного травления, вакуумного напыления и ряда других операций создаются светоизлучающие кристаллы. При этом на одной пластине может находиться до 4000 кристаллов, которые лазерной резкой разделяются на отдельные чипы.

Полученные чипы монтируются на специальные электрические платы, где ультразвуковой сваркой осуществляется соединение контактных площадок кристаллов и электропроводящих элементов печатных плат. Кристаллы заливаются компаундом (затвердевающим составом) для надежной фиксации и защиты от внешнего воздействия.

Для изготовления готового светового прибора разработано два конструкторских решения:

·  группу кристаллов монтируют на печатную плату, коммутируют и заливают компаундом; в результате получается готовый светодиодный модуль;

·  несколько дискретных (отдельных) светодиодов устанавливают на общую печатную плату.

Полученный блок светодиодов (матрица) в дальнейшем используется для создания различной осветительной техники и приборов, в том числе для подводного использования.

Эти и другие разработки наноразмерной электротехники, в том числе отечественных ученых, в настоящее время являются наиболее весомыми достижениями в области практической нанотехнологии.