Знание-сила, 2008 № 08 (974)

Помню, как на занятиях по квантовой механике мы получали решение уравнения Шредингера для электрона в потенциальной яме. Когда я это делал, в моей голове проскакивали мысли наподобие «откуда оно вообще взялось, это уравнение Шредингера?!» или «зачем мне нужно знать про какие-то квантованные энергетические состояния в этой яме?!» Да, я понимал, что если мы этого не сделаем, то нельзя будет вывести еще одно сложное уравнение, потом его приближенно решить, чтобы полностью запутаться в формулах, и якобы узнать, откуда берется то, что я знаю еще из школы (в данном случае речь шла о квантово-физическом объяснении периодического закона Д.И. Менделеева). Однако теперь у меня вызывает бурю эмоций тот факт, что так называемые квантовые точки (нольмерные наноструктуры) представляют собой не что иное, как потенциальный ящик, в котором заключены электроны. От размеров этой точки- ящика зависит, какие энергетические переходы могут наблюдаться в энергетическом спектре точки, а это, в свою очередь, определяет длину волны света, поглощаемую и испускаемую такими наночастицами. И сразу начинаешь по-другому относиться и к уравнению Шредингера, и ко всей этой «высокой науке». Главное, «она работает!»

«Беспозвоночное магматического периода» — так называемые вискеры манганита бария

Зачем химикам нужна механика?

Исторически сложилось, что под словом «материаловед» подразумевается специалист в химии сплавов, функциональных (то есть имеющих какие-то интересные физические свойства) и композиционных материалов. Но в последнее время возникла проблема, связанная с механическими свойствами получаемых и исследуемых материалов. Особенно это относится к функциональным и композиционным материалам, а также к так называемым биоматериалам. Особый интерес сейчас представляют механические свойства наноматериалов. Приведу несколько примеров того, как знание механики помогает материаловедам.

Предположим, что вы занимаетесь технологией производства ионных проводников, которые нужны для батареек, топливных ячеек. Вы сумели получить порошок, обладающий рекордным значением проводимости. Естественно, возникает желание внедрить эту технологию в производство, но здесь вас ожидает сюрприз: готовые изделия, спрессованные из вашего порошка, рассыпаются при малейшей нагрузке! Вы не отчаиваетесь и пытаетесь за счет добавок (пластификаторов) увеличить качество прессования. Но и тут вас ожидает неудача, а именно — резкое снижение тех «рекордных» проводящих свойств. Так что же, ваш замечательный материал никому не нужен? Конечно, нет! Просто вы не учли, что механические свойства материала определяются его микроструктурой. Сейчас ученые научились делать материал, на микроуровне представляющий собой тонкие монокристаллические ниточки (так называемые вискеры). Тонкая пластинка, содержащая такие вискеры, не ломается при достаточно сильных деформациях, и при этом имеет высокие значения проводимости и емкости.

Второй пример связан с биоматериалами. Если человек получил сильную травму черепа, ему нужен костный заменитель — имплантат. Этот имплантат должен быть легким и прочным, а также «биосовместимым», то есть не отторгаться организмом. У обычных титановых имплантатов очень хорошо с механическими свойствами, но плохо с биологическими. Естественно, у ученых возникла мысль попробовать сделать имплантат из материала, близкого по составу к кости. Основным керамическим ее компонентом является гидроксилапатит (основной фосфат кальция). На нашем факультете научились изготавливать из гидроксилапатита материалы, близкие по прочности к костной ткани. Однако прежде чем опробовать их на живых существах, необходимо грамотно провести испытания на прочность, долговечность, трещиностойкость и другие механические параметры. Тут без знаний механики не обойтись!

Оказывается, знание механики может пригодиться и в таких модных и высокотехнологичных областях науки, как наноматериаловедение. С одной стороны, это связано с необходимостью скорейшего внедрения нанотехнологий в производство, что подразумевает наличие хороших механических свойств у наноустройств. С другой стороны, существует принципиальный вопрос: как работает механика на наноуровне? К сожалению, в нашей стране интерес к этой теме пока еще достаточно низок.

Междисциплинарность — вот ключ к победе!

Вместе с эволюцией наших представлений о науке изменяется и наше представление о современном ученом. Я хочу немного рассказать, каким я вижу передовика нанонауки.