Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Нанотехнологии. 18

1 История возникновения нанонауки

Нанонаука и производство наноразмерных материалов и изделий как одно из магистральных направлений развития современной науки и технологии заявили о себе в последние десять-пятнадцать лет. Это направление в области материаловедения и технологии активно развивается, захватывая все новые и новые области науки и промышленного производства.

Принципиальное значение малоразмерных объектов было подчеркнуто нобелевским лауреатом R.F. Feynman в лекции “There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics”, прочитанной на заседании Американского Физического Общества в Калифорнийском технологическом институте 29 декабря 1959 г. И только в 80-х годах прошлого века с изобретением сканирующего просвечивающего микроскопа и атомно-силивого микроскопа стало возможным изучение наномира, который составляют объекты с линейными размерами от 1 до 100 нм. Ученые получили возможность наблюдать крупные органические молекулы, спирали ДНК и изучать структуру материи на атомарном уровне. Использование с конца 80-х годов этих видов электронной микроскопии для изучения полимеров, керамики и биологических тканей привело ученых к мысли о поиске возможностей манипулировать атомами и молекулами, а позднее - и наноразмерными объектами. Наноматериалы благодаря своей структуре, образованной системой наноразмерных объектов, обладают новыми, более ярко выраженными, свойствами, чем традиционные.

В качестве самостоятельной дисциплины нанонаука выделилась только в последние 7-10 лет. Однако уже 10-15 лет исследования наноструктур являются общим направлением для многих классических научных дисциплин. Химия среди них занимает одно из ведущих мест, так как открывает практически неограниченные возможности для разработки, получения и исследования свойств новых наноматериалов с заданными свойствами, нередко превосходящими по качеству природные материалы. В редакторской колонке CNRS International Magazine (Франция, апрель 2006 г.) отмечается: «нанонаука и ее «дублер», нанотехнология - две дисциплины, нацеленные на исследование и использование наномира, развиваются быстро и, возможно, станут базовыми для экономического роста в 21 веке».

По мнению большинства экспертов, нанотехнология представляет собой не только одну из ветвей высокой технологии, но является и системообразующим фактором экономики 21 века – экономики, основанной на знаниях, а не только на использовании природных ресурсов или их переработке. Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др. В ближайшее время нанотехнологии станут составной частью нашей повседневной жизни, а во многих областях уже сегодня они надежно закрепились на ведущих позициях (электроника, оптика, косметика, фармакология, материаловедение).

2 Наноматериалы

Наноразмерные объекты занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами (или молекулами). Присутствие таких объектов в материалах придает материалам новые физические и химические свойства. Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, термических и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Объекты нанометровых размеров: наночастицы или нанокластеры, двумерные тонкие пленки кристаллы для оптики, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). Наночастицы – это, по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии), размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 106 или меньшего количества атомов. Наночастицу принято рассматривать как агрегат, являющийся частью объемного материала.

По размерному признаку нанообъекты делят на три типа. Нанообъекты квази-нуль-мерные (0D) – это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и фуллерены) содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, сгруппированных в связки или ансамбли в форме клетки. В этом случае все три измерения нанометровые. Нанообъекты квази-одномерные (1D): углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопроволоки т.е. цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон, и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере, на порядок превышает два другие; физики их называют «квантовые провода». Нанообъекты двумерные (2D): покрытия или пленки толщиной в несколько нанометров на поверхности блочного материала. В этом случае только одно измерение (толщина) нанометровое, два других являются макроскопическими.

Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологии (Висбаден, 2004 г.), выделяют следующие типы наноматериалов:

нанопористые структуры;
наночастицы;
нанотрубки, нановолокна;
нанодисперсии (коллоиды);
наноструктурированные поверхности и пленки;
нанокристаллы и нанокластеры.

Экспериментально установлено, что на нанометровом уровне законы классической физики действуют далеко не всегда, в то же время, в силу вступают законы квантовой механики. Например, электроны движутся не в потоке, но один за другим. Установлено, что наночастицы чистых металлов, состоящие из 3-1200 атомов особенно реакционноспособны. Такая зависимость свойств от строения на наноуровне несет в себе большой потенциал для практического применения. Так, на примере золота было показано появление высокой каталитической активности у частиц с размером менее или равным 3-5 нм, которые имеют структурные отличия от решетки объемного материала. Использование этого явления позволило создать освежители воздуха на основе наночастиц золота, нанесенных на окись железа.

И так, наночастица – это квази-нульмерный нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины. Как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; и если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов.

Самым простым наноматериалом могут служить фрагменты вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то другим физическим или химическим способом. Хотя бы в одном измерении они должны иметь протяженность не более 100 нм и проявлять качественно новые свойства (физико-химические, функциональные, эксплуатационные и др.).

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 10⁹ атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из небольшого числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые эффекты и энергетика развитой поверхности наноструктур.

Одним из главных химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы.

а б в

Рисунок 1 – Аллотропные модификации углерода: а - графит, б - решетка алмаза, в - молекула фуллерена

Фуллерены, как новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли. Оказалось, что атомы углерода могут образовать высокосимметричную молекулу С₆₀. Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр и напоминает футбольный мяч (рисунок 1 в). В соответствии с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников. Первоначально С₆₀ получали в небольших количествах, а затем, в 1990г., была открыта технология их крупномасштабного производства.

При высоких давлениях фуллерен С₆₀ становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству С_б0 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Фуллериты. Молекулы С₆₀ , в свою очередь, могут образовать кристалл фуллерит с гранецентрированной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями. В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов (К (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий)), то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и образуется новый полимерный материал. Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал с критической температурой 20-40 К. Изучение сверхпроводящих фуллеритов проводится, в частности, в Институте им. Макса Планка в Штутгарте. Существуют фуллериты и с другими присадками, дающими материалу уникальные свойства. Например, С60-этилен имеет ферромагнитные свойства. Высокая активность в новой области химии привела к тому, что уже к 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.

Углеродные нанотрубки. Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в какой-то степени случайно в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств.

Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода (рисунок 2).

Из углерода можно получить молекулы с гигантским числом атомов. Такая молекула, например С=1000000, может представлять собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон (рисунок 3). На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников. Следует отметить роль числа сторон правильных многоугольников в формировании двухмерных поверхностей, состоящих из атомов углерода, в трехмерном пространстве. Правильные шестиугольники являются ячейкой в плоском графитовом листе, который можно свернуть в трубки различной хиральности (m, n)³ . Правильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в графитовом листе, позволяющими получить его положительную (отрицательную) кривизну. Таким образом, комбинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать разнообразные формы углеродных поверхностей в трехмерном пространстве (рисунок 4). Геометрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и химические свойства и, следовательно, возможность существования принципиально новых материалов и технологий их производства. Предсказание физико-химических свойств новых углеродных материалов осуществляется как с помощью квантовых моделей, так и расчетов в рамках молекулярной динамики. Наряду с однослойными трубками имеется возможность создавать и многослойные трубки. Для производства нанотрубок используются специальные катализаторы.

Рисунки 2, 3 – Идеализированная модель углеродной нанотрубки; модель однослойной углеродной нанотрубки

Рисунок 4 – Модель искривленной углеродной нанотрубки

В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось.

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций. Их поперечная структура имеет две разновидности (рисунок 5). Одну назвали «русская матрешка», так как она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Другая напоминает скатанный рулон или свиток. Для рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, составляет 0,335 нм.

а б

Рисунок 5 - Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а — «русская матрешка»; б — свиток

Кроме того, эти нанотрубки самоорганизуются в связки-жгуты сечением более одной десятой миллиметра, что делает их очень многообещающими для технического применения в качестве многоканальной системы передачи информации или механических конструкций.

В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика. Осталось научиться делать их как можно более длинными — размеры трубок связаны с прочностью изготавливаемых веществ.

Оказывается, узор однослойной нанотрубки определяет ее электронные свойства: нанотрубки с разными узорами могут быть металлами, полуметаллами и полупроводниками.

Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, они способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях. К тому же открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

Углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из свернутых графеновых плоскостей, которые обладают уникальными характеристиками. Это самый жесткий и прочный материала мире с высокими электронными характеристиками. Своей прочностью он обязан ковалентным связям между отдельными атомами углерода. В 2000 году в ходе экспериментов было установлено, что прочность углеродной нанотрубки на растяжение составила 63 гигапаскаля. Это в десятки тысяч раз больше, чем у лучших сортов высокоуглеродистой стали. Углеродные нанотрубки могут применяться практически везде, где сегодня вообще применяются металлы. Это может быть и одежда, и спортивная экипировка, бронежилеты, космическое оборудование, компоненты электронных схем. По оценкам экспертов уже к 2015 году объем рынка в этой отрасли составит $2,5 млрд.

Группе ученых из Австралийского национального университета Канберра на основе углеродных нанотрубок удалось создать еще одну новую форму углерода — нанопену. В процессе нагрева углеродной мишени мощным лазерным пучком с амплитудой 10 тыс. импульсов в секунду при температуре около 1000°С был получен новый материал в виде мельчайшей сетки (пены), состоящей из нанотрубок.

Полученный материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с Высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей.

С одной стороны, трубки рассматриваются как сосуд, в котором можно хранить вещества, не пользуясь «обычными» емкостями с толстыми стенками или оболочками для хранения агрессивных сред. С другой стороны, хранящиеся в них элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе.

Появляется возможность создавать новые сверхпрочные композиционные конструкционные материалы, не изменяя химический состав компонентов, а регулируя размеры и формы частиц, составляющих вещество.

Первые же исследования показали, что нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Многослойная углеродная нанотрубка является великолепным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть оставить неподвижной, а внешнюю заставить вращаться, можно получить почти идеальный подшипник скольжения, в котором поверхность скольжения атомно-гладкая, а силы взаимодействия между поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса) очень слабые. Следовательно, открывается возможность создать миниатюрные наноподшипники с пренебрежимо малыми силами трения, необходимые для наносистемной техники будущего (нанодрелей, наностанков и др.).

Другое уникальное свойство наноструктур — квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

Графен — развернутая в двухмерный лист нанотрубка. Этот наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Новый материал назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена он характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой на-ноэлектронных устройств. Этот монослой атомов углерода получен в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

Графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно малой толщины. Кроме того, графен является прекрасным проводником электрического тока, что делает его очень привлекательными для использования в качестве прозрачных электродов солнечных батарей или сенсорных дисплеев. Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Нанокластеры. К множеству нанообъектов относятся сверхмалые частицы, состоящие от десятков до тысяч атомов. Свойства кластеров кардинально отличаются от свойств макроскопических объемов материалов того же состава. Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойствами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых смесей и хранения газов. Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходных металлов, лантиноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Наномагниты представляют интерес при проектировании процессоров для квантовых компьютеров. Кроме того, при исследовании этой квантовой системы обнаружены явления бистабильности и гистерезиса. Если учесть, что расстояние между молекулами составляет около 10 нанометров, то плотность памяти в такой системе может быть порядка 10 гигабайт на квадратный сантиметр.

3 Структурные особенности наноматериалов

Структурные особенности наноматериалов, обусловливающие их уникальные свойства, можно также проиллюстрировать на примере катализаторов. Кроме того, было показано, что если кластер состоит из 54 атомов, он имеет на поверхности 24 атома (30 – заблокированы), которые в качестве каталитически-активных центров доступны молекулам субстрата. Если представить, что эти 54 атома перегруппированы в три отдельные частицы (по 18 атомов в каждой), то общее количество каталитически-активных центров составит 36 (сумма заблокированных атомов – 18). Кроме того, из термодинамики малых частиц известно, что поверхностные атомы частиц с большей кривизной поверхности обладают более высокой потенциальной энергией. Таким образом, одно и тоже количество активного металла в составе катализатора во втором случае будет вовлечено в катализ в большей степени, и, значит, катализатор получится более дешевым (это особенно важно, если речь идет о благородных металлах), и его удельная активность (на единицу активного металла) будет выше, чем в первом случае. Отношение количеств активных и блокированных («объемных») атомов меняется при такой гипотетической манипуляции на обратное (24/30 и 36/18).

Следует также отметить, что нередко более активный катализатор или катализатор с более высокодисперсным распределением активного металла начинает работать при более низких температурах. Возможность получения более тонких каталитических пленок из металлов также дают большой выигрыш в расходе материалов без потерь, а, иногда, и с выигрышем в активности. Дизайн наноструктур с целью создания принципиально новых функциональных материалов требует исследований взаимосвязи строения на наноуровне и свойств, а также разработки методов контролируемого синтеза супрамолекулярных архитектур.

Так, установлено, что при переходе от массивного к нанодисперсному состоянию происходит изменение энергии вещества. Чем меньше размер частицы, тем выше доля поверхностных атомов или молекул в общем количестве (рисунок 6 а-в). Поэтому при определении термодинамических характеристик массивного вещества его поверхностной энергией пренебрегают. На примере сферических частиц золота было показано, что при уменьшении диаметра частиц с 1.8 нм до 1 нм доля поверхностных атомов увеличивается с 0.63 до 0.88, при этом внутренняя энергия нанодисперсного золота возрастает с 50 до 86 тыс. Дж/ моль. Когда агрегат содержит только поверхностные атомы или молекулы (рисунок 6 в), эта величина возрастает до 114 тыс. Дж/ моль.

а б в

Рисунок 6 – Частицы золота

4 Области практического использования наноматериалов

Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. "Сырьем" являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен "индивидуальный" подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как "бездефектные" материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами.

Анализ текущего состояния бурно развивающейся области позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений.

Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

Материаловедение. Создание "бездефектных" высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.

Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального "ремонта" органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

Развитие нанонауки и нанотехнологии придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства. Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др. Следует также отметить, что химические нанотехнологии являются малоотходными, и это делает их особенно ценными в современных условиях.

Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Это электронная, косметическая, текстильная промышленность, фармацевтика, защита окружающей среды. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.

Весь круг проблем делится специалистами на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения ощутимых результатов.

Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.

Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.

Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.

Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов. Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70% с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.

Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом.