Нанопредставления в науке об атоме

Е.А.Шашуков, директор музея ГУП НПО «Радиевый институт им. В.Г.Хлопина»

Пропаганда нанотехнологических представлений стала в последнее время модным явлением и преподносится как научно-техническая революция, кардинально меняющая сложившиеся взгляды в различных областях науки и техники.

И это справедливо в том отношении, что обращается повышенное внимание на широкие возможности, которые открываются в науке и технике при обращении с частицами вещества наноразмеров (порядка 10-9 м). На этой основе создаются новые прогрессивные технологии и уникальные материалы. Не подлежит сомнению, что за этими подходами открывается большое будущее.

Однако нанопредставления не являются принципиально новыми. Они имеют уже достаточно длительную историю. Первоначальный ее этап связан с чисто практическим воплощением интуитивно найденных технологических приемов, давших необыкновенные результаты.

Замечательным примером является создание еще в средние века уникальных изделий из цветного стекла, содержащего частицы металлов и их оксидов наноразмеров. Витражи из такого стекла украшают стены многих соборов.

Другим примером являются созданные в середине XIX века фотоматериалы, содержащие взвешенные в желатине частицы галогенидов серебра ультрамалых размеров. Падающий на них свет приводит к восстановлению солей с образованием наночастиц металлического серебра, дающих видимое изображение.

Частицы наноразмеров фигурируют не только в технике. Они являются действующим началом природных образований, в том числе биологических структур. Часто это придает живым организмам уникальные свойства. Например, раковины некоторых моллюсков, состоящие из наночастиц мела, склеенных углеводно-белковой смесью, обладают исключительной прочностью.

Нанотехнологические подходы и представления исторически присущи многим областям науки и техники, в том числе радиохимии и ядерной физике. В связи с этим можно вспомнить работы радиохимической школы академика В.Г.Хлопина по изучению распределения микрокомпонентов веществ, в том числе радия и других радиоактивных элементов, между твердой кристаллической и жидкой фазами. Эти исследования показали, что закономерности соосаждения зависят не только от природы, но и от размеров частиц как микро-, так и макрокомпонента. Так, член-корреспондент АН СССР Б.А.Никитин показал, что процесс внедрения микрокомпонента в кристаллическую решетку макрокомпонента может происходить не только путем замещения иона на ион, атома на атом, молекулы на молекулу, но и целыми агрегатами частиц (кластерами).

Было показано также, что большое влияние на механизм соосаждения имеет размер кристаллов макрокомпонента. С уменьшением размера кристаллов растет общая площадь их поверхности и определяющую роль при соосаждении может играть не внедрение микрокомпонента в решетку кристалла, а адсорбционный фактор.

Длительную историю имеет в радиохимии вопрос образования в растворах агрегатов частиц коллоидных размеров; этот фактор в значительной мере определяет их поведение в технологических процессах. В частности, многими исследователями изучался вопрос образования у радиоактивных элементов, находящихся в растворах в очень малых концентрациях, как истинных коллоидов, так и псевдоколлоидов.

Пионерские работы в этой области в нашей стране связаны с именем члена-корреспондента АН СССР И.Е.Старика. Применявшиеся в тридцатых и последующих годах прошлого века методы изучения радиоколлоидов (диализ, ультрафильтрация, диффузия, ультрацентрифугирование, радиография и др.) позволяли судить лишь о принципиальной возможности их образования и некоторых чертах поведения. Вопрос же природы и строения частиц радиоколлоидов оставался открытым, так как отсутствовала возможность непосредственного анализа коллоидных агрегатов. Развитие спектроскопических, микроскопических и других методов измерений, применяемых в современной нанотехнологии, способствует прогрессу в области изучения различных структур малых размеров (полимеров, золей, коллоидов, различных кластеров).

Важную роль в поведении порошкообразных материалов играет размер составляющих их частиц. От этого зависит спекаемость керамических материалов, самовозгораемость и взрывоопасность пылеобразных веществ (угольная пыль, сажа, сухая мука и др.), возможность самовозгорания тонких порошков некоторых металлов (железа, урана, плутония и др.).

Давно известно, что тщательное дробление и перемешивание мелкодисперсных материалов может приводить к важным практическим результатам. Интересным примером из области ядерной науки и техники является создание источников нейтронов на основе смесей некоторых альфа-излучающих радионуклидов с бериллием. В конце 30-х годов минувшего века эти источники были важным инструментом изучения ядерных реакций с участием нейтронов. Однако широко применявшиеся радон-бериллиевые источники имели весьма короткий период действия, так как период полураспада радона составляет всего 3,8 суток. А источники на основе радия-226 с периодом полураспада 1600 лет и тория-228 (радиотория) с периодом полураспада 1,9 года являются долговременными, но имеющими очень малую интенсивность нейтронов.

Сотрудники Радиевого института профессора А.Е.Полесицкий и А.П.Ратнер решили повысить интенсивность нейтронного излучения путем увеличения площади контакта материалов за счет их тщательного дробления и перемешивания. Это позволило получить поток нейтронного излучения, сопоставимый с тем, что наблюдается у радон-бериллиевых источников.

Среди многочисленных методов изучения ядерных превращений, которыми располагает наука, одним из исторически первых был метод толстослойных фотоэмульсий. Он основан на использовании специальных фотоматериалов, содержащих в толстом желатиновом слое взвешенные частицы оксидов металлов в высокодисперсном состоянии. Начало этому методу было положено в Радиевом институте в 1927 году работами Л.В.Мысовского и П.И.Чижова; в дальнейшем он был развит А.П.Ждановым и Н.А.Перфиловым. Этот метод, по словам академика П.И.Лукирского, «оказался необычайно плодотворным и нашел очень широкое применение при изучении процессов в атомных ядрах и при исследовании космического излучения».

Такие примеры использования нанотехнологических подходов в атомной науке и технике можно было бы продолжить, но, наверное, даже из числа приведенных видно, что они имеют достаточно длительную историю.

Современная постановка вопроса о необходимости широкого развития нанотехнологий, в том числе в атомной области деятельности, с получением наноструктурированных материалов, отличающихся уникальными свойствами, не может не приветствоваться. Однако решение данной задачи под силу только большому коллективу специалистов разного профиля, так как эта область деятельности имеет междисциплинарный характер.

Журнал «Атомная стратегия» № 31, июль 2007 г.

назад

Материалы из архива

1.2008 Атом имени Ломоносова

Александр КулешовРазговоры о строительстве атомной теплоэнергоцентрали (АТЭЦ) в Архангельске велись еще в 80-х годах прошлого столетия. Однако Чернобыльская катастрофа поставила жирную точку на проекте, не смотря на то, что площадку под строительство уже начинали готовить. Неподалеку от Архангельска до сих пор можно наблюдать несколько заросших, частично асфальтированных дорог, ведущих к горам песка. Больше здесь ничто не напоминает о начавшемся когда-то строительстве.

10.2006 Искать точки соприкосновения

Мухтар Джакишев, президент Национальной атомной компании «Казатомпром» Дефицит уранового сырья заставляет ведущие мировые ядерные державы все чаще поглядывать в сторону Казахстана. Бывшая республика Советского Союза занимает второе место в мире по запасам урана, третье – по добыче. Выиграв судебный процесс по антидемпинговому разбирательству с американской компанией USEC, Казахстан, в отличие от России, продает уран в США по свободным мировым ценам.

6.2007 Наноядерная электроэнергетика; проект PIFAHOR

Е.А.Филиппов, д.т.н.,профессор, В.Л.Ломидзе, к.ф.-м.н, вед.н.сотр.Атомная энергетика нуждается в коренной реконструкции. Существующая администрация Росатома, ведомственные НИИ и Проектные институты расписались в своей административной и научной немощи, пойдя на дополнительное штатное допущение расплава активной зоны АЭС (такого раннее и не предпологалось) и последующего сбора кориума в контейнмент под корпусом АЭС во время ядерной катастрофы… (Из письма в редакцию)