Сегодня привычное представление о мире очень быстро меняется благодаря развитию нанотехнологий. Для этой науки манипуляции объектами и их структурами в масштабе от 1 до 100 нанометров уже стало реальностью, и широко используется для улучшения свойств привычных нам материалов во многих сферах жизни. Нанометр – это миллиардная доля привычного нам метра. Для сравнения – толщина человеческого волоса составляет около ста тысяч нанометров.

Одной важной особенностью нанотехнологий является то, что материалы в нанодиапазоне склонны проявлять особые свойства, отличные от тех, что обычно проявляются в больших частицах, и материале в целом. Это касается таких параметров как электропроводность, теплопроводность, оптических и магнитных свойств и др. Также, некоторые характеристики в наномасштабе меняются сами по себе при переходе к меньшим размерам. Так, наноразмерные материалы имеют гораздо более развитую поверхность, что позволяет их использовать, например, в качестве эффективных катализаторов для ускорения химических реакций. Вообще, исследователи широко внедряют применение этих особых свойств во многих областях, начиная от медицины и биотехнологий, заканчивая исследованиями окружающей среды, потребительской электроникой и машиностроением.

Например, в медицине разрабатывают наночастицы для доставки новых поколений лекарств и вакцин к активным центрам организма человека. В текстильной промышленности развивают направление разумной одежды, противостоящей загрязнениям, и меняющей свои свойства при изменении температуры внешней среды.

Будущее электронной микроскопии

В наше время рынок нанотехнологий испытывает колоссальный рост, и ожидается, что к 2021 году его оценка в мировой промышленности пересечет отметку в 100 миллиардов долларов. Уже сейчас платформа Nanotechnology Consumer Products Inventory насчитывает более 1600 наименований продуктов доступных для приобретения, в основе которых лежат нанотехнологии.

Хотя нанотехнологии как наука существует уже более двух десятков лет, недавний взрыв в количестве открытий и значительное ускорение развития можно объяснить появлением микроскопов со сверхвысокой разрешающей способностью в сочетании с более мощными компьютерами, способными очень быстро собирать и анализировать информацию. Используя сканирующие (SEM) или просвечивающие (TEM) микроскопы в сочетании с энергодисперцийной рентгеновской спектроскопией (EDS) ученые по всему миру получают изображения в нанометровом разрешением одновременно с подробной информацией о химическом составе, что дает важные представления об организации и функции этих материалов.

Потребность в корреляционной визуализации больших площадей образцов с высоким разрешением очень выросла в последнее время, позволяя исследователям получать статистически значимые данные о свойствах катализаторов и наночастиц. Программное обеспечение Velox, разработанное компанией ThermoFisher позволяет визуализировать большие площади образцов, автоматически сшивая много изображений отдельных участков и создавая карту образца со сверхбольшим разрешением. В свою очередь программное обеспечение Avizo позволяет автоматизировать процесс одноразовых измерений и анализа полученных изображений, автоматически генерируя статистические отчеты, включающие размеры, площадь поверхности, размерное распределение и химический состав исследуемых наноматериалов.

Рис. 1. Автоматическое определение размеров наночастиц на большой исследуемой площади с высоким разрешением для получения правильных статистических данных

Широкое применение в различных промышленных отраслях

Поскольку прогрессивные технологии позволяют лучше понять свойства наночастиц, исследователи из широкого спектра отраслей промышленности находят креативные пути их применения.

Например, в автомобильной промышленности производители используют наночастицы для разработки нового поколения каталитических конверторов, использующих до 90% меньше благородных металлов для очистки выбросов двигателей. Автомобильные катализаторы содержат в своем составе такие металлы как палладий, платину и родий, чтобы превращать монооксид углерода и другие опасные вещества в нетоксичные выбросы. Использование наночастиц этих металлов в отличие от крупных частиц, результирует в меньшем количестве металла, необходимом для создания такой ​​же площади активной поверхности на керамической основе катализатора, сохраняя деньги производителям и уменьшая загрязнение воздуха частицами этих металлов.

В аэрокосмической отрасли ученые используют нанотехнологии для создания прочных и легких алюминиевых сплавов, улучшающих безопасность, устойчивость к трещинам и увеличивающих эффективность горючего. Визуализация таких сплавов в наномасштабе дает информацию о дислокации, наличии включений, их размеры и химический состав.

Рис. 2. Визуализация включений в сплаве при высоком разрешении

Поскольку продукты, основанные на нанотехнологиях, начинают распространяться, изучается их безопасность и влияние на окружающую среду. Одним из направлений исследований является изучение влияния наночастиц используемых для улучшения пищевых продуктов и косметики на здоровье человека, в частности диоксида титана, серебра и золота. Поднимается вопрос формулировки стандартного подхода для выявления и характеризации содержания наночастиц в пищевых добавках и определения объема наночастиц, безопасных для контакта и потребления человеком.

Упомянутые в статье отрасли представляют собой лишь малый процент того, где на самом деле могут применяться наноматериалы. Оставайтесь с нами, чтобы узнать больше об использовании современных инструментов, таких как электронная микроскопия для исследования материалов в наномасштабе.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: