Нанотехнології – високотехнологічна область виробництва, що працює з гранично малими величинами на рівні окремих атомів і молекул. Сьогодні у світовому виробництві нанотехніки все більше застосування знаходять промислові гази азот, аргон і гелій.
Нанотехнології в даний час затребувані практично у всіх сферах діяльності, таких як електроніка, кібернетика, біологія, медицина, сільське господарство, космічні дослідження. Можна впевнено стверджувати, що розвиток нанотехнології в нинішньому столітті вплине на прогрес людства не менше, ніж винахід писемності чи електрики.
Перші ідеї щодо можливості роботи з об’єктами на рівні молекул і атомів викладено в книзі Ісаака Ньютона «Opticks», виданої 1704 року. У своїй праці вчений висловлював надію, що мікроскопам недалекого майбутнього під силу досліджуватиме «таємниці корпускул».
Справжнім першовідкривачем ідеї створення нанотехнологій вважається знаменитий американський вчений Лауреат Нобелівської премії з фізики Річард Фейнман. Він першим в історії застосував поняття нанотехнології у своїй доповіді “Внизу повним-повнісінько місця” (англ. “There’s Plenty of Room at the Bottom”), виступаючи в американському Фізичному Товаристві 29 грудня 1959 року. Річард Фейнман заявив про теоретичну можливість механічно пересувати одиночні атоми за допомогою пристосування відповідного розміру, і, на його думку, такий процес не суперечив би фізичним законам.
Практичне застосування нанотехнологій передбачає виготовлення пристроїв, здатних створювати та обробляти об’єкти на рівні молекул, атомів та наночастинок. Сам об’єкт не завжди повинен мати розмір менший за 100 нм, цілком можлива робота і з макрооб’єктами, контрольовано створювати атомарну структуру яких можна працюючи з окремими атомами.
Одним із прикладів практичного застосування промислових газів у галузі нанотехнологій стали вуглецеві нанотрубки — витягнуті структури циліндричної форми, що мають діаметр від одного до кількох десятків нанометрів та завдовжки до кількох сантиметрів. Вуглецеві нанотрубки являють собою одну або кілька гексагональних графітових площин (графенов), що зазвичай закінчуються напівсферичною головкою. Вчені зі США отримали позитивний результат, впроваджуючи в вуглецеві нанотрубки азот за допомогою способу, що передбачає управління кількістю газу, що містить азот під час зростання структури. Отриманий результат означає, що цей метод може застосовуватися керувати електронним характером подібних об’єктів. Згадані наноструктури можна використовувати в конструкціях пристроїв для зберігання даних і т.п. Вуглецеві нанотрубки з домішкою азоту можуть використовуватися для створення суперконденсаторів або виготовлення легких проводів. Практично в кожному випущеному в США автомобілі використовуються ті чи інші нанокомпозитні елементи, в основному це вуглецеві нанотрубки в поєднанні з нейлоном, що захищають паливну систему від статичної електрики. Подібна нанотехніка вже зараз має великий попит, наприклад, у космічній галузі. Таким чином, застосування азоту відкриває найширші можливості для керування провідністю нанотрубок.
Ще одним газом, який використовується в нанотехнологіях, є аргон. Аргон важчий за повітря в 1,38 рази, але в підгрупі важких інертних газів аргон має найменшу вагу. Рідина цей газ стає при – 185,9°C в умовах нормального тиску. Аргон замерзає при – 189,4 ° C, добре розчиняється у воді при 20 ° C . Аргон широко застосовується у світлотехніці, оскільки має здатність до яскравого синьо-блакитного світіння під впливом електричного струму. Проте, останнім часом аргон переважно йде не в лампочки, а в металургійну промисловість. У середовищі аргону проходять процеси, при яких потрібно не допустити контакту розплавленого металу з азотом, киснем, вологою повітря та вуглекислотою. Аргонне середовище застосовується у гарячій обробці вольфраму, урану, титану, танталу, ніобію, берилію, цирконію, гафнію, торію, а також лужних металів. В аргонній атмосфері обробляють плутоній, а також одержують деякі сполуки ванадію, хрому, титану. У сфері нанотехнологій аргон використовується в процесах аргонно-кисневого дуття, що виробляється у спеціальних AOD-конвертерах. AOD-конвертери застосовуються для обезуглерожування розплавів, що мають високий рівень концентрації хрому при зниженому парціальному тиску монооксиду вуглецю. Розведення оксиду вуглецю аргоном при вдуванні його суміші з киснем в розплав, це основний процес, що протікає при окисленні вуглецю, необхідний скорочення втрати хрому при виплавці його з високовуглецевого ферохрому. Продування аргоном розплаву сталі набагато підвищує її якість.
У нанотехнологічних дослідженнях широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому вивченню будови речовини – за більш високих температур найтонші елементи енергетичних спектрів виявляються замаскованими тепловим переміщенням атомів. Вже з’явилися надпровідні соленоїди зі спеціальних сплавів, що створюють при наднизькій температурі рідкого гелію потужні магнітні поля (до 300 тисяч ерстед) за зовсім незначних витрат енергії. У температурному середовищі рідкого гелію багато металів і сплавів перетворюються на надпровідники. Надпровідникові реле-кріотрони знаходять сьогодні застосування у конструкціях електронно-обчислювальних машин. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідною ланкою в нанотехнологіях. Вони є у складі детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот. Існуючі правила дозволяють сьогодні рідкий гелій набувати у комерційних організацій за дотримання умов постачання газу в строго певній тарі. До такої тари відносяться судини Дьюара, спеціально призначені для транспортування зрідженого газу.
Крім температурних властивостей, гелій має ще одну унікальну особливість. Цей газ застосовується у технологічних операціях, які неможливо проводити у звичайному повітряному середовищі. Щоб виключити можливість контакту речовини з газами атмосфери, що створюється, створюється спеціальне захисне середовище, для її створення найбільш підходящий газ, це гелій.
Цікаві факти
На сьогоднішній день існує гіпотетичний сценарій кінця світу, заснований на успіхах молекулярних нанотехнологій і пророкує поглинання некерованими нанороботами, що самовідтворюються, все доступне їм речовина Землі. Цей сценарій відомий під назвою “Екофагія” або “Сірий слиз” від англійського “grey goo”.
У сучасному мистецтві з’явився новий напрямок «наноарт». Художники, що працюють у цьому напрямку, створюють скульптурні композиції нанорозмірів, застосовуючи хімічні та фізичні процеси обробки матеріалу. Надалі результат роботи фотографується через електронний мікроскоп і чорно-біле фото, що вийшло, обробляється в графічному редакторі.
Гази, що розглядаються в статті, аргон, азот і гелій в Україні можна придбати у лідера українського ринку промислових газів компанії «DP Air Gas». Більш детально ознайомитися з асортиментом та умовами поставок газів, а також з пропонованим компанією передпродажним та післяпродажним обслуговуванням газового обладнання можна тут.
