Один из способов получения новых материалов — химический синтез.
Процесс этот и долгий, и дорогой, причём из всех затрат только треть приходится на сам синтез, а остальное уходит на разделение компонентов, их очистку и подготовку к обработке. В то же время в живом организме протекают тысячи сложнейших реакций, которые не требуют ни высоких температур, ни больших давлений, ни даже особых затрат энергии. Происходит так потому, что в биологической клетке ходом реакций управляют тончайшие плёнки со сложной структурой — мембраны (от лат. membrana — «кожица»). Они строго избирательно пропускают молекулы одних веществ и задерживают молекулы других, сортируя их по размеру, по величине электрического заряда, его знаку и по другим признакам. Изучение биологических мембран натолкнуло учёных на мысль создать подобную промышленную «технологию». И сегодня разработка искусственных мембран для химической промышленности стала одним из важнейших направлений нанотехники.
Делают такие мембраны разными способами. Из длинных полимерных волокон, например, получают нечто вроде войлока, сквозь который фильтруют растворённые вещества. В сплошной полимерной плёнке пробивают отверстия потоком ионов, разогнанных в ускорителе заряженных частиц. Регулировать размеры дырок в таком «решете» достаточно просто: чем тяжелее ионы, тем отверстия будут больше. Если через подобную мембрану прокачать природный газ, он разделится на дорогостоящий гелий и дешёвый метан. Можно очищать воздух и воду не только от пыли и вредных примесей, но даже от болезнетворных бактерий; можно также очищать химическое сырьё и отделять продукты химических реакций.

Самое твёрдое вещество в природе — алмаз. Это углеродное соединение имеет кристаллическую решётку в форме тетраэдра (пирамиды с четырьмя равновеликими треугольными гранями). Его вершины образованы четырьмя атомами углерода. Треугольник очень жёсткая фигура: его можно сломать, но деформировать или смять нельзя. Именно поэтому прочность алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решёткой, состоящей не из атомов, а из молекул. Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то кристаллическая решётка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям в полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм. В начале 90-х гг. XX в. российские учёные сумели получить первые образцы нового вещества — фуллерита. Это кристаллы размером 5—6 мм; их острые грани царапают алмаз так же легко, как алмаз — стекло. Исследования показали, что существует, по меньшей мере, два варианта «упаковки» молекул в кристалле фуллерита. В первом ячейки повторяют форму тетраэдра, а во втором имеют форму куба с отдельным фуллереном внутри. Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в решётке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть «особый» фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12—16 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Всё это и определяет необычайную твёрдость кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твёрдости алмаза. Уникальные качества нового вещества окажутся особенно ценными при изготовлении
приборов для измерения твёрдости материалов и «вечных» нестираемых покрытий. Кроме того,
из фуллерита можно делать такие инструменты для бурения скважин, обработки легированных
сталей, керамических материалов, камней (в том числе алмазов!), о которых технологи ещё
вчера могли только мечтать.
Пока нанотехнология делает первые шаги, но уже сегодня очевидно: исследования в этой
области — фундамент для техники принципиально иного уровня. Ведь создание нанотрубных
материалов по своей значимости сравнимо с освоением металла древним человеком. Возможно,
что нанотехнология — начало новой научно-технической революции, а мы стоим на пороге
века углерода.

С тех пор как в 1985 г. была обнаружена молекула углерода в форме полого шарика, состоящая из 60 атомов, большие надежды в области нанотехнологии исследователи связывают именно с углеродом. Нельзя сказать, что открытие это было совершенно неожиданным: задолго до него группа советских химиков теоретически предсказала, что углерод может существовать в виде сферической молекулы. А ещё в XIX в. Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) писал, что в природе должны быть молекулы «С„, где п есть большая величина». Но всё-таки открытие такой молекулы — её назвали фуллерен — произвело сенсацию.
Углеродный шарик диаметром чуть больше 0,5 нм стал не только объектом пристального изучения, но и «родоначальником» целого класса новых наноструктур. Расчёты показали, что фуллерен — чрезвычайно прочная и устойчивая молекула. Атомы углерода в ней связаны сильнее, чем в решётке алмаза. Кроме того, оказалось, что на основе фуллерена можно вырастить углеродные молекулы в виде бочонка (бареллены) из 80 атомов и трубки (тубелены), в которых число атомов доходит до миллиона. Из них «собирают» ещё более сложные молекулы в виде бубликов, квадратов, многоугольников и даже многолучевых звёзд, напоминающих морских ежей. «Сшив» их в разных сочетаниях, можно вырастить трёхмерную сверхрешётку очень большого размера (шварцшит), которая должна быть ещё более прочной, чем фуллерен.
Предполагаемая область применения нового материала чрезвычайно обширна. Например, из нанотрубок, собранных в пучок, получается пористый материал, размер отверстий в котором нетрудно регулировать, меняя условия роста трубок. Из него можно делать мембраны — те самые молекулярные сита, о которых упоминалось ранее. Если в поры такого сита «загнать» длинные молекулы полимера или цепочки атомов металла, образуются композитные материалы с заранее заданными свойствами. При соединении нанотрубок боковыми поверхностями половина связей между ними будут такими, как у алмаза, а половина — как у графита. Получится гибкий материал, прочность которого лишь на треть ниже, чем у алмаза. Он сможет служить прекрасным покрытием для деталей, работающих в условиях трения. Если металлом или полимером залить решётку шварцшита, образуется чрезвычайно прочный аналог железобетона. Роль стальной арматуры в нём играют нанотрубки. Вопреки поговорке «Где тонко, там и рвётся» в данном случае рвётся там, где прочность ниже. А как уже говорилось, наноструктуры оказываются во много раз прочнее обыкновенного материала. Шварцшит может найти применение и в технике принципиально нового уровня — наноэлектронике. Если в молекуле углерода часть «родных» атомов заменить на атомы других элементов, она приобретёт свойства полупроводника, проводника или изолятора. Молекулы в форме кольца можно использовать в качестве элемента памяти нано-ЭВМ: вихревые токи в них могут «гулять» неограниченно долго. Тубелен, в свою очередь, способен играть роль магнитной катушки. Ток должен проходить не по всей его поверхности, а только по определённым связям, расположенным по спирали, подобно проводу в соленоиде. Из перечисленных элементов можно собрать электронную схему нанометровых размеров, уложив в нужном порядке отдельные трубки (или вырастив их прямо на месте). Подобная схема способна управлять уже не электрическими импульсами, а отдельными электронами, благодаря чему в карманном микрокалькуляторе поместится вычислительное устройство, занимающее сегодня несколько шкафов.
Магнитное поле, возникающее внутри такого «наносоленоида», должно достигать колоссальной величины. Сегодня подобные поля удаётся получить лишь на очень короткое время, измеряемое долями секунды, в ходе сложных и небезопасных опытов. Эти эксперименты необходимы для исследования некоторых физических, химических и биологических явлений. Нанотехника значительно расширит возможности учёных. И хотя это дело далёкого будущего, нанотрубки уже производят в промышленном масштабе: их используют в качестве сырья для получения композитов. Шарики-фуллерены оказались прекрасным материалом для смазки, способной выдерживать высокую температуру. Они же преподнесли исследователям ещё один, на сей раз совершенно неожиданный сюрприз.

НАНОТЕХНИКА — ТЕХНОЛОГИЯ НАСТОЯЩЕГО И БУДУЩЕГО
Первобытный человек мастерил орудия труда и охоты, строил жилища, шил одежду из
материалов, уже созданных природой. Шло время, каменный век сменялся бронзовым, потом
железным... Постепенно люди научились изготавливать новые материалы — плавить металл,
обжигать керамику, обрабатывать шерсть и растительные волокна, ткать полотно.
Познавая свойства веществ, они стремились их использовать и даже управлять ими:
тысячелетия назад — путём грубой обработки, а сегодня — на уровне молекул и кристаллов.
Эти структуры имеют размеры порядка миллиардной доли метра (10" м) — величины, которая
называется нанометр (от греч. «на'нос» — «карлик» и «ме'трон» — «мера»); обозначается так: нм. Оказалось, что на молекулярном и кристаллическом уровнях возможно принципиально менять свойства вещества. Отрасль техники, в которой используют подобные структуры, получила название «нанотехники».
НОВЫЙ КЛАСС МАТЕРИАЛОВ — НАНОКРИСТАЛЛЫ
Подавляющее большинство материалов, с которыми ежедневно приходится сталкиваться, имеют кристаллическое строение. Металлы, керамика, строительный камень состоят из кристаллических зерен, сцепленных между собой. И от того, насколько велика сила сцепления, зависит прочность материала. Очень важную роль здесь играют размеры кристаллов: крупнозернистый материал непрочен, легко разрушается по границам кристаллов; мелкозернистая структура прочнее — мелкие кристаллы плотнее прилегают друг к другу и сцепляются с большей силой. Одними из первых много веков назад это поняли кузнецы. Конечно, тогда они ничего не знали о структуре металла, но заметили, что изделие становится более прочным, если его обработать молотом. Сегодня точно известно, что ковка меняет структуру материала: крупные кристаллы разрушаются, а мелкие укладываются плотнее. Попробуйте летом на пляже из влажного песка построить замок или просто куличик. Он получится довольно прочным и высоким. А если строить из гальки, даже мелкой, «постройка» сразу же рассыплется.
Обычный металл состоит из кристаллов размером от десяти до ста микрометров. Но в начале 80-х гг. XX в. физики научились получать вещества, состоящие из кристалликов нанометровых размеров — в тысячи раз более мелких. Из них производят композиты (от лат. compositio — «составление, «соединение») — смеси керамики с металлом, а также смеси нескольких металлов или нескольких видов керамики. Композиты могут состоять только из нанокристаллов, иногда нанокристаллы вплавлены в стекловидную массу или сочетаются с «обычными» кристаллами. Свойства получившихся веществ настолько интересны и необычны, что их считают совершенно новым классом материалов. Хрупкая керамика становится упругой и пластичной, металл приобретает способность растягиваться в два с лишним раза не разрушаясь или становится раз в десять прочнее, чем имеющий «нормальную» структуру. Электрическое сопротивление помещённых в магнитное поле многослойных композитов увеличивается почти в два раза. А добавка нанокристаллов чистого железа в соединение, содержащее окись железа, способна изменить электрическое сопротивление в 100 трлн. (10 ) раз!
Кроме того, нанокристаллические композиты позволяют получать материалы с заданными физическими свойствами, которые ещё предстоит исследовать.