Популярно о нанотехнологиях


24.10.2007

Наноуниверситет

Кто из Вас слышал про Rice University? По моим наблюдениям, подавляющее большинство студентов младших (и не только) курсов МГУ (и не только) ничего не слышали даже про MIT (поспрашивайте, если не верите). Тем не менее, словосочетание «рисовый университет» нередко вызывает недоумение даже у людей, уже долго работающих в науке.

В этом нет ничего удивительного. Университет находится вдали от основных научных «мекк» США – северо-восточного региона с центром в Бостоне и Калифорнии – в Техасе, штате более известного ковбоями, нефтяными компаниями и президентами. В университете учатся и работают около 5 тысяч человек – по сравнению с моим родным МГУ это действительно «наноуниверситет». Я затрудняюсь сказать, насколько престижен диплом Райса в области юриспруденции, бизнеса, медицины или искусств (отсюда низкое место университета во всевозможных «общих» рейтингах). Впрочем, о Райсе может быть и можно было говорить с некоторым пренебрежением, если бы в нем не было такого сильного «нано» – учитывая выдающиеся успехи местных ученых в области нанотехнологий (особенно на фоне других дисциплин) Райс по праву можно называть «наноуниверситетом».

По версии Small Times Magazine (это американский аналог «Нанометра»:-)) Райс находится на четвертом месте в США в области нанотехнологий. Как известно, подобные рейтинги, как правило, составляются на основе множества параметров, куда помимо собственно научных достижений (количество статей в престижных журналах и их средняя цитируемость) входят размер университета (количество студентов, в т.ч. иностранных), финансирование и т.д. Впрочем, какое нам дело до того, у кого сколько денег? По большому счету, нас интересуют именно научные достижения, а оценить вклад любого университета в мировую нанонауку может каждый – воспользуйтесь ресурсом типа Scopus или Web of Science. И посмотрите, сколько статей сотрудники ученые из того или иного университета опубликовали в журнале Nano Letters (журналы типа Nature и Science я не рассматриваю, т.к. в них публикуют статьи не только по нано, а среди профильных журналов у Nano Letters самый высокий импакт-фактор).

Вот что получается:

University of California at Berkeley and Berkeley National Lab – 115
Rice University – 78
Northwestern University – 77
Harvard University – 75
Georgia Institute of Technology – 60
Stanford University – 55
Columbia University – 53
Pennsylvania State University – 51
University of Texas at Austin – 50
California Institute of Technology – 42
Massachusetts Institute of Technology – 37
University of California at Los Angeles – 33
Cornell University – 29
University of California at San Diego – 26
Princeton University – 18
Лидерство Беркли неудивительно – у них есть Paul Alivisatos, да и «своя» национальная лаборатория под боком, но вот, например, паритет с Гарвардом выглядит весьма неожиданно, учитывая, что в последнем работают такие известные профессора в области нанотехнологий как George Whitesides и Charles Lieber. При этом еще раз отмечу, что Райс – это маленький университет. Химический факультет Райса «размазан» по нескольким небольшим зданиям на территории кампуса, которые все вместе не дотягивают и до половины здания Химфака МГУ.

Своими успехами в области нанотехнологий Райс обязан одному человеку – профессору Ричарду Смолли. В первую очередь, проф. Смолли известен тем, что в 1996 г. получил вместе с Робертом Керлом (Robert Curl) и Гарольдом Крото (Harold Kroto) Нобелевскую премию за открытие фуллеренов. Впрочем, проф. Смолли известен не только научной, но и организационной деятельностью. Он активно пропагандировал нанотехнологии (не только в научной среде, но в обществе, в целом, и политических кругах США, в частности), что способствовало увеличению финансирования научных исследований в этой области, создал в Райсе Лабораторию углеродных нанотехнологий (Carbon Nanotechnology Laboratory, CNL) и т.д. В первую очередь благодаря авторитету Ричарда Смолли в ничем ранее не примечательный Райс начали перебираться как уже известные ученые, так и молодые и активные постдоки ведущих американских профессоров, что в конечном счете и обеспечило высокий уровень научных исследований, проводимых в университете в настоящее время.
В качестве яркого примера можно рассказать об исследованиях, проводимых в группе проф. Джеймса Тура, перебравшегося в Райс в 1999 г. и возглавившего CNL после смерти Ричарда Смолли в октябре 2005 г. В первую очередь, проф. Тур известен своими исследованиями в области молекулярной электроники и в частности – многочисленными работами, посвященными созданию различных логических элементов на основе единичных органических молекул (результаты этих работ отражены в монографии J.M. Tour “Molecular Electronics”). Впрочем, совсем недавно сообщения о группе проф. Тура появились практически на всех мировых научных порталах, включая web-страницы Nature и Science, что было связано с первым синтезом «наноавтомобилей».

Различные награды Ричарда Смолли вывешены на химическом факультете Райса и занимают обе стены коридора третьего этажа.Идея создания различных самодвижущихся нанообъектов будоражит умы еще со времен знаменитой работы Эрика Дрекслера (E. Drexler) «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологий». В настоящее время описанные Дрекслером наноустройства пока еще очень далеки от своего реального воплощения (и, скорее всего, в том виде, в котором их представлял себе Дрекслер, они не будут созданы никогда), однако синтез наноразмерных автомобилей химиками из Райса вполне можно рассматривать в качестве серьезного шага вперед. Проф. Тур – не первый, кто попытался сконструировать наноавтомобиль. Другие научные группы уже создавали объекты нанометрового масштаба, внешне напоминающие автомобили, а также некоторые простейшие механические устройства – шестеренки, подшипники, переключатели, затворы и др. Однако в большинстве ранних работ речь шла об ансамблях органических молекул в растворе и наблюдении за поведением спектроскопическими методами. В некоторых случаях исследуемые молекулы, такие как бензол, порфирины и др., удавалось перенести из раствора на подложку и вручную подвигать по ней с помощью иглы сканирующего зондового микроскопа. Огромным достижением группы из Райса стало создание наноавтомобиля, который действительно бы катился (не скользил, а именно ездил!) по поверхности так же, как катятся на колесах автомобили.
Рис. 5. (а) Химическая формула первого наноавтомобиля и (б) его графическое представление на поверхности золота. Источник: Y. Shirai, A.J. Osgood, Y. Zhao. K.F. Kelly, J.M. Tour, Directional control in thermally driven single-molecule nanocars, Nano Letters, 5(11), 2330-2334 (2005) Схема первого наноавтомобиля, способного ездить по поверхности золота, показана на рис. 5. Хорошо видно, что это большая органическая молекула, состоящая из порядка 300 атомов трех видов – углерод, кислород и водород. В качестве колес использованы четыре молекулы фуллерена С60, которые связаны химическими связями с каркасом машины. Первоначально ученые приводили машины в движение посредством нагрева подложки с наноавтомобилями до 200°С, что вызвало вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с "рамой машины". Однако на "ездовом полигоне" от нагрева ездили все машины, что сделало невозможным управление отдельными автомобилями. Для решения этой проблемы ученые решили поставить на каждую машину "молекулярный мотор". Надо сказать, что в настоящее время предложено несколько различных конструкций «молекулярных моторов», однако выбор был сделан в пользу модели, разработанной голандским ученым Беном Феринга (Ben L. Feringa). Принцип работы такого мотора представлен на рис. 6. Мотор представляет собой подвижную лопасть, установленную в центре рамы наноавтомобиля. Под действием излучения (использовался свет с длиной волны 365 нм) лопасть начинает вращаться и, отталкиваясь от золотой подложки, приводит наномашину в движение.

При установке молекулярного мотора возникли дополнительные синтетические сложности. В частности, выяснилось, что мотор Феринга не работает в пристутствии фуллеренов, поэтому колеса наноавтомобиля пришлось заменить на другие сферические молекулы, содержащие углерод, водород и бор. В соответствии с этим, конструкцию рамы автомобиля также пришлось модифицировать (рис. 7). Эксперименты показали, что полученные таким образом наноавтомобили действительно могут ездить под действием света. Впрочем, созданные наномашины все еще требуют усовершенствования. В частности, “лопастной нанодвигатель" может вращаться только в одну сторону, поэтому пока наномашины умеют ездить только вперед.

Разумеется, наномашинки – не единственное достижение Райса в области нанотехнологий. Университет очень известен благодаря многочисленным работам в области фуллеренов и углеродных нанотрубок, различных наноматериалов, фотоники, наноплазмоники и т.д. Более подробную информацию можно получить на сайте Химического факультета Райса www.chem.rice.edu.
Принцип работы молекулярного мотора. Источник: J.F. Morin, Y. Shirai and J.M. Tour, En route to a motorized nanocar, Organic Letters, 8(8) 1713-1716 (2006). (a) Химическая формула наноавтомобиля с мотором и (б) его графическое изображение; цветом обозначены атомы углерода (черный), водорода (белый), бора (оранжевый) и серы (зеленый). (в) Моторизированные наноавтомобили на поверхности золота. Источник: J.F. Morin, Y. Shirai and J.M. Tour, En route to a motorized nanocar, Organic Letters, 8(8) 1713-1716 (2006).
Нанотехнологическое сообщество "Нанометр"


Обратите внимание

Ролик "НаноТех - это перспективно!" для молодежи, школьников и широкой аудитории

Трьетья Всероссийская интернет-олимпиада по нанотехнологиям

РОСНАНО и ведущие научные учреждения страны подписали соглашения о сотрудничестве

Новости нанотехнологий

28.03.2016
В Пензе пройдет двухдневный «Нанофест», посвященный популяризации науки и нанотехнологий

26.10.2015
Названы победители шестого открытого конкурса по отбору проектов создания нанотехнологических центров

14.08.2015
Шестой открытый конкурс проектов создания Нанотехнологических центров

29.06.2015
Геномный центр наноцентров «Техноспарк» и «Дубна» объединит усилия с компанией из Индии для диагностики наследственных болезней

08.04.2015
РОСНАНО открывает первую межрегиональную сеть Центров ядерной медицины

02.04.2015
Сибирские ученые создали крошечные светильники из углеродных наноструктур

21.01.2015
В I квартале на базе наноцентра в "Жигулевской долине" планируется запуск шести стартапов

14.01.2015
Стартап с участием наноцентра «Дубна» добился успеха на выставке в Финляндии

22.12.2014
Ученые наноцентра "Сигма" нашли способ увеличить прочность алюминия на треть

07.12.2014
В ульяновском наноцентре запущена лаборатория для разработки «умных покрытий»

...

Новости о грантах


Конференции