Газы в нанотехнике

Нанотехнологии — высокотехнологичная область производства, работающая с предельно малыми величинами на уровне отдельных атомов и молекул. Сегодня в мировом производстве нанотехники все большее применение находят промышленные газы азот, аргон и гелий.
Нанотехнологии в настоящее время востребованы практически во всех сферах деятельности, таких как, электроника, кибернетика, биология, медицина, сельское хозяйство, космические исследования. Можно с уверенностью утверждать, что развитие нанотехнологии в нынешнем веке повлияет на прогресс человечества не меньше, чем изобретение письменности или электричества.

Первые идеи о возможности работы с объектами на уровне молекул и атомов изложены в книге Исаака Ньютона «Opticks», изданной в 1704 году. В своем труде ученый выражал надежду, что микроскопам недалекого будущего по силам станет исследовать «тайны корпускул».

Настоящим первооткрывателем идеи создания нанотехнологий считается знаменитый американский ученый Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман. Он первым в истории применил понятие нанотехнологии в своем докладе «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom) , выступая в американском Физическом Обществе 29 декабря 1959 года. Ричард Фейнман заявил о теоретической возможности механически передвигать одиночные атомы при помощи приспособления соответствующего размера, и, по его мнению, такой процесс не противоречил бы физическим законам.

Практическое применение нанотехнологий предполагает изготовление устройств, способных создавать и обрабатывать объекты на уровне молекул, атомов и наночастиц. Сам объект не всегда должен иметь размер менее 100 нм, вполне возможна работа и с макрообъектами, контролируемо создавать атомарную структуру которых можно работая с отдельными атомами.

Одним из примеров практического применения промышленных газов в области нанотехнологий стали углеродные нанотрубки — вытянутые структуры цилиндрической формы, имеющие диаметр от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Углеродные нанотрубки представляют собой одну или несколько гексагональных графитовых плоскостей (графенов) обычно заканчивающихся полусферической головкой. Ученые из США получили положительный результат, внедряя в углеродные нанотрубки азот при помощи способа, предполагающего управление количеством газа содержащего азот во время роста структуры. Полученный результат означает, что данный метод может применяться для управления электронным характером подобных объектов. Упомянутые наноструктуры возможно применять в конструкциях устройств для хранения данных и т.п. Углеродные нанотрубки с примесью азота могут использоваться для создания суперконденсаторов или для изготовления легких проводов. Практически в каждом выпущенном в США автомобиле используются те или иные нанокомпозитные элементы, в основном, это углеродные нанотрубки в сочетании с нейлоном, защищающие топливную систему от статического электричества. Подобная нанотехника уже сейчас пользуется большим спросом, например, в космической отрасли. Таким образом, применение азота открывает широчайшие возможности для управления проводимостью нанотрубок.

Еще одним газом, используемым в нанотехнологиях, является аргон. Аргон тяжелее воздуха в 1,38 раза, но в подгруппе тяжелых инертных газов аргон обладает наименьшим весом. Жидкостью этот газ становится при – 185,9°C в условиях нормального давления. Аргон замерзает при – 189,4°C, хорошо растворяется в воде при 20°C . Аргон широко применяется в светотехнике, так как обладает способностью к яркому сине-голубому свечению под воздействием электрического тока. Однако, в последнее время аргон в основном идет не в лампочки, а в металлургическую промышленность. В среде аргона проходят процессы, при которых требуется не допустить контакта расплавленного металла с азотом, кислородом, влагой воздуха и углекислотой. Аргонная среда применяется в горячей обработке вольфрама, урана, титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, тория, а также щелочных металлов. В аргонной атмосфере обрабатывают плутоний, а также получают некоторые соединения ванадия, хрома, титана. В сфере нанотехнологий, аргон используется в процессах аргонно-кислородного дутья, производимого в специальных AOD-конвертерах. AOD-конвертеры применяются для обезуглероживания расплавов, имеющих высокую степень концентрации хрома при сниженном парциальном давлении монооксида углерода. Разбавление оксида углерода аргоном при вдувании его смеси с кислородом в расплав, это основной процесс, протекающий при окислении углерода, необходимый для сокращения потери хрома при выплавке его из высокоуглеродистого феррохрома. Продувка аргоном расплава стали намного повышает ее качество.

В нанотехнологических исследованиях широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному изучению строения вещества – при более высоких температурах наиболее тонкие элементы энергетических спектров оказываются замаскированными тепловым перемещением атомов. Уже появились сверхпроводящие соленоиды из специальных сплавов, создающие при сверхнизкой температуре жидкого гелия мощные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при совершенно незначительных затратах энергии. В температурной среде жидкого гелия многие металлы и сплавы превращаются в сверхпроводники. Сверхпроводниковые реле-криотроны находят сегодня применение в конструкциях электронно-вычислительных машин. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимым звеном в нанотехнологиях. Они присутствуют в составе детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот. Существующие правила позволяют сегодня жидкий гелий приобретать у коммерческих организаций при соблюдении условий поставок газа в строго определенной таре. К такой таре относятся сосуды Дьюара, специально предназначенные для транспортировки сжиженного газа.

Помимо температурных свойств, гелий обладает еще одной уникальной особенностью. Этот газ применяется в технологических операциях, которые невозможно проводить в обычной воздушной среде. Чтобы исключить возможность контакта получаемого вещества с газами атмосферы, создается специальная защитная среда, для ее создания самый подходящий газ, это гелий.

Интересные факты

На сегодняшний день существует гипотетический сценарий конца света, основанный на успехах молекулярных нанотехнологий и предрекающий поглощение неуправляемыми самовоспроизводящимися нанороботами всё доступное им вещество Земли. Этот сценарий известен под названием «Экофагия» или «Серая слизь» от английского “grey goo”.
В современном искусстве появилось новое направление «наноарт». Художники, работающие в этом направлении, создают скульптурные композиции наноразмеров, применяя химические и физические процессы обработки материала. В дальнейшем результат работы фотографируется через электронный микроскоп и получившееся черно-белое фото обрабатывается в графическом редакторе.

Рассматриваемые в статье газы аргон, азот и гелий в Украине можно приобрести у лидера украинского рынка промышленных газов компании «DP Air Gas». Более подробно ознакомиться с ассортиментом и условиями поставок газов, а также с предлагаемым компанией предпродажным и послепродажным обслуживанием газового оборудования можно здесь.