Наномастера древности

Человечество использовало нанотехнологии тысячи и сотни лет назад, но не догадывалось об этом. Древние египтяне и римляне, индейцы майа, средневековые мастера Европы получали материалы, состоящие из упорядоченных наночастиц, что придавало им необычные качества. Так, например, знаменитая голубая краска майа, сохранившая свою яркость до наших дней, получалась путём смешения частиц органического (дерево индиго) и неорганического (глина) происхождения. Органические красители, как правило, легко разрушаются, однако в этом случае союз с неорганическими наноструктурами обеспечил им хорошую защиту.

При смешивании частицы индиго «встраивались» в наноструктурированные частицы филосиликатов, что обеспечивало великолепный, стойкий голубой пигмент керамическим изделиям и росписям. Испанскими учёными было установлено что при смешивании глины пaлыгорскита с красителем индиго образовывались также небольшие примеси наноструктурированного оксида железа. Они были найдены во всех образцах краски в количестве 0,5 процента. Есть мнение, что именно они придают прочность окрашиванию, поэтому, несмотря на рудиментарные технологии и 1300-летний возраст, росписи майа по-прежнему блистают великолепием голубого цвета.

Но раньше майа нанокраску использовали египтяне. Группа исследователей под руководством Филипа Вальтера из Центра исследований и реставрации французских музеев доказала, что египтяне приготавливали её для окрашивания волос в чёрный цвет. Сначала делали пасту из извести, оксида свинца и небольшого количества воды. В процессе смешивания получались наночастицы галенита (сульфида свинца) размером до пяти нанометров. Естественный чёрный цвет волос обеспечивает пигмент меланин, который в виде включений распределен в кератине волоса. Красящая паста реагировала с серой, входящей в состав кератина, и обеспечивала равномерное и устойчивое окрашивание. При этом процесс затрагивал только волосы, а в кожу головы соединения свинца не проникали.

Изготавливались в древности и твёрдые наноматериалы. В Риме мастер изготовил известный Кубок Ликурга около IV века до нашей эры. При дневном свете он непрозрачен и имеет зелёный цвет. Но если внутри поместить источник света, стенки кубка становятся прозрачными и красными. Оказалось, что ответственны за эти изменения наночастицы золота и серебра, входящие в состав материала размером от 50 до 100 нанометров.

Ещё один интересный пример использования нанотехнологий в древности — это изготовление витражного стекла соборов в средневековой Европе. Оттенки получались путем нагревания и охлаждения стекла. Чего не знали средневековые мастера, так это того, что через этот процесс они изменяют размер кристаллов и, следовательно, их цвет на наноуровне. учёные полагают, что витражи были не только произведениями искусства, но и фотокаталитическими очистителями воздуха, удаляющими органические загрязнения. Катализаторами служили наночастицы золота, которые сохраняют свою способность и сейчас. Крошечные частицы золота на поверхности стекла под воздействием солнечного света переходят в возбужденное состояние и разрушают органические загрязнения.

Выкованные из дамасской стали мечи до сих пор имеют отличную репутацию. Впервые Европа познакомилась с булатом при столкновении армии Александра Македонского с войсками индийского царя Пора. Очень твёрдое, резистентное стальное лезвие как бритва разрезало волос на лету. Недавние исследования учёных Дрезденского университета показали существование углеродных нанотрубок в составе стали, которые образованы методом специальной ковки. Анализ образца стали, растворённой в соляной кислоте, показал схожесть структуры металла с углеродными нанотрубками. Они сформировались при нагревании до 800 градусов Цельсия из углеводородов внутри микропор, причём катализатором могли служить ванадий, хром, марганец, кобальт, никель и некоторые редкоземельные металлы, содержащиеся в руде. Циклическая механическая обработка (ковка) и соответствующий температурный режим постепенно распределяли углеродные нанотрубки в плоскостях, параллельных плоскости ковки, делая микроструктуру стали мелкозернистой и пластинчатой.

Секреты этих и других производств передавались из поколения в поколение, однако причины уникальных свойств материалов не исследовались. И только после развития науки о нанотехнологиях учёные смогли их объяснить. Приставка «нано-», означает одну миллиардную часть целого. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть её упорядоченными фрагментами размером от одного до ста нанометров (нанометр — одна миллиардная часть метра).

Начало сознательной работы в области нанотехнологий связывают с именем лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана, который в 1959 году прочёл перед коллегами лекцию и описал первые идеи, лежащие в основе нанотехнологий. «Я описал бы область, в которой очень мало сделано, но которая имеет большие перспективы и техническое приложение. Я хочу поговорить о проблеме манипуляции и контроля над частицами чрезвычайно мелкого масштаба. Я не могу точно знать, что произойдёт, но у меня нет сомнений, что если мы найдём способ контролировать эти частицы, то получим доступ к широкому спектру свойств, которые эти материалы могут представлять, и сможем делать невероятные вещи», — сказал Фейнман.

Однако, хотя учёный блестяще предвидел будущее, понадобились десятилетия, чтобы создать инструменты, которые позволяют сегодня наблюдать, создавать и управлять веществами на наноуровне. Только в 1981 году Г. Биннигом и Г. Рорером был изобретён электронный сканирующий туннельный микроскоп (STM), с помощью которого можно двигать атомы. В 1986 году эти сотрудники исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили Нобелевскую премию за своё открытие. Современные электронные и атомно-силовые микроскопы обеспечивают увеличение в пять миллионов раз. С помощью этих приборов стало возможным исследовать и объяснить ранее загадочные свойства древних нанотехнологий.