Тема XIII. ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И НАНОТЕХНОЛОГИИ: СУЩНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, ЗНАЧЕНИЕ

Тема XIII. ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И НАНОТЕХНОЛОГИИ: СУЩНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, ЗНАЧЕНИЕ

Человечество уверенно вступило в XXI век, который, как мы часто слышим, будет проходить под знаком генетики, биотехнологий и информационных технологий. Мы также слышим, что ученые свои порой «сумасшедшие» идеи, прения подают под вывеской нанотехнологий. Оказывается, биотехнологии и информационные технологии лишь детали в картине, название которой – Наноленд. Хотя еще 3,5 млрд лет назад возникли первые живые клетки, именно они содержат наномасштабные биомашины, выполняющие такие задачи, как манипуляции с генетическим материалом и энергообеспечение. Но только сейчас возникли возможности реального использования этих особенностей.

С использованием нанотехнологий человек подошел к таким рубежам познания материи, которые позволят ему в ближайшее время изменять свойства материи в соответствии с нуждами потребителя. Речь идет о вмешательстве в строение материи на молекулярном и атомарном уровнях. Возможности нанотехнологии такие огромные, что они вдохновляют инженеров и ученых на подвиги, сближают людей в достижении реальной власти над природой и инженерная деятельность наполняется новым содержанием.

Целью настоящей лекции является рассмотрение сущности нанотехнологий, ее зарождения, развития основных направлений и дальнейших перспектив.

1. Сущность нанотехнологий и основные направления развития.

2. Настоящее нанотехнологий и перспективы развития.

История нанотехнологий не имеет, на наш взгляд, четкого временного значения. Она достаточно старая, и в то же время молодая.

400 лет до н. э. грек Демокрит вводит термин «атом» (неделимый), и это уже начало «наномира». Впервые же промышленность воспользовалась преимуществами нанотехнологии в 1902 г., когда для вулканизации были использованы мелкие частички (размером в несколько нанометров) сажи с чрезвычайно развитой поверхностью. Интересен и такой факт. В области нанотехнологий успели отметиться едва не все выдающиеся ученые XX века. К примеру, Альберту Эйнштейну в докторской диссертации впервые удалось обсчитать размеры характерной представительницы наномира – молекулы сахара. Тогда выяснилось, что ее диаметр составляет приблизительно один нанометр, то бишь миллиардную частицу метра, или одну миллионную булавочной головки, или одну тысячную длины бактерии…

Значительный вклад сделал Эрнст Резерфорд, который еще в 1912 г. в серии тонких опытов доказал, что атом похож на солнечную систему, в центре которой массивное ядро, а вокруг него вращаются легкие электроны. Так появилась планетарная модель атома, а уже в 1918 году Владимир Иванович Вернадский высказывал мнение о неисчерпаемых возможностях атомных технологий.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Нам знакомы такие понятия, как микроколичество (масса веществ, измеряемая микрограммами), микроанализ (анализ микроколичеств), микроэлектроника (упрощенно: электронные устройства с наименьшим размером отдельных деталей в микрометры или доли микрометров). Приставка «микро-» в числах означает миллионную долю.

Аналогичных терминов с приставкой «нано-» (миллиардная доля) нет, приставка чаще всего употребляется в числах. Однако если вспомнить, что размер отдельных несложных молекул определяется нанометрами, можно понять, какие объекты интересуют нанотехнологию.

Нанотехнология пересекается с различными научными и инженерными дисциплинами, единое ее определение дать трудно, и под ней понимают близкие, но все же отличающиеся области. Вот лишь некоторые определения:

– миниатюризация технологии: проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин, запрограммированных на выполнение определенных задач;

– искусство манипулирования материалами в атомном и молекулярном масштабах, особенно для создания микроскопических устройств (роботов);

– способность производить объекты и структуры буквально атом за атомом, подобно процессам в клетках живых организмов.

Можно сказать, что когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

· изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

· разработка и изготовление наномашин;

· манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Основные положения нового направления НТР были намечены в хрестоматийной речи отца нанотехнологий Ричарда Феймана There’s Plenty of Room at the Bottom («Там внизу – море места»), произнесенной им в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) еще в 1959 году. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (подразумевается возможность опознать отдельный атом, взять его и поставить на другое место). Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM инженерами был разработан сканирующий туннельный микроскоп – прибор, чувствительный к изменениям туннельного тока между поверхностью материала и сверхтонкой иглой.

Р. Фейнман высказал мысль, что «принципы физики, насколько я понимаю, не говорят о невозможности создавать вещи атом за атомом».

В 1981 г. в США была опубликована статья К. Э. Дрекслера, содержащая основы новой науки, в 1986 г. – его книга «Средства созидания. Грядущая эра нанотехнологии», ставшая первым пособием по этому направлению.

К. Э. Дрекслер ввел новые понятия, которые стали широко использоваться. В его понимании молекулярная технология – создание функциональных структур и устройств путем их сборки атом за атомом или молекула за молекулой с помощью программированных роботов (ассемблеры), способных к самовоспроизведению (репликация). По расчетам, ассемблер, снабженный молекулярным компьютером, может иметь массу не более 109 а. е. м. Сборка происходит в соответствии с законами химии, но эти законы в условиях «позиционного» синтеза (когда атом или молекула доставляется в нужное место) действуют иначе, чем при проведении химических реакций, а преодоление активационных барьеров – небывалое дело! – может происходить за счет механической энергии.

Работы Эрика Дрекслера – пионера молекулярной нанотехнологии – носят в основном научно-популярный характер, но при этом глубоко отражают все технические проблемы, которые сейчас стоят перед нанотехнологией. Безусловно, чтение этих работ необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Что касается классификации нанотехнологии, то пока единства мнений нет.

Встречается классификация нанотехнологии с выделением трех направлений: «мокрого», «сухого» и компьютерного.

Под «мокрой» нанотехнологией понимают изучение биологических систем, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток. Такие структуры нанометрового размера, как известно, возникли и развиваются в результате эволюции организмов.

«Сухая» нанотехнология берет начало от физической химии и науки о поверхностных явлениях, сосредоточена на получении структур из углерода (например, нанотрубки), кремния, различных металлов и вообще из неорганических материалов. Конечная ее цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию.

Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Для формирования аналогов созданного природой за сотни миллионов лет требуется немалое время. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить этот период.

Многие специалисты под нанотехнологией понимают получение и использование материалов, частицы или слои которых измеряются несколькими нанометрами или десятками нанометров. При этом широко применяют такие термины, как наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты.

В этой связи можно разделить нанотехнологию на два направления – технологию наноматериалов и молекулярную нанотехнологию – и коротко рассмотреть их по отдельности.

Большое значение для развития нанотехнологии имели некоторые открытия XX века, которые стали как бы методологией проблемы, теорией и практикой.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы размером менее одного микрона. Греческое слово «нанос» означает примерно «старичок».

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смейли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии / National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено 500 млн. долларов. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до 604 млн. долларов. На 2003 год «Инициатива» уже запрашивала 710 млн. долларов.

Это далеко не полный перечень изобретений, открытий. Все более и более увеличивается их количество.

Авторитетный сетевой журнал для инвесторов в сфере высоких технологий RedHerring.com опубликовал рейтинг десяти самых выдающихся изобретений в секторе IT за 2002 г.

На восьмой позиции в этом престижном списке – генеральный директор Нижегородской лаборатории .linksarray[0]. Олег Суитин. Он признан автором уникальных изобретений в сфере нанотехнологий – революционных разработок, которые позволят осуществлять вычисления на атомарном уровне с колоссальной производительностью, в сотни раз превышающей возможности самых современных процессоров, выполненных на кремниевой основе.

Все составляющие нанокомпьютера и, прежде всего, устройства ввода-вывода и обработки информации представляют собой молекулы ДНК. Работа на молекулярном уровне позволяет нанокомпьютерам ставить рекорды в сфере миниатюризации ЭВМ: триллионы компьютеров, вычислительная способность которых по сегодняшним меркам кажется фантастической, будут умещаться в простой лабораторной пробирке. Плотность размещения данных в таких машинах примерно в 100000 раз выше, чем на обычном жестком диске.

С помощью нанотехнологий, как полагают ученые, удастся решить такие проблемы, как синтез веществ на молекулярном уровне, когда станет возможным производство любых предметов путем сбора их по отдельным атомам. Именно так, по мнению футурологов, жителям Земли удастся решить проблему голода – еда будет просто синтезироваться из любого соответствующего сырья.

Большое значение развитие нанотехнологий будет иметь для так называемых малобюджетных стран, в том числе России, Украины, тем более, что здесь есть существенное отставание, например, в микроэлектронике, и поэтому в экономическом плане переход к наноэлектронике в тысячи раз снижает затраты на создание и промышленное освоение современного производства наноэлементов по сравнению с созданием промышленного комплекса микроэлектроники. Новые научные решения позволяют совершить качественный скачок и преодолеть ряд технологических барьеров, свойственных микроэлектронике.

По оценкам ученых, экономистов, строительство современного завода по производству элементной базы микроэлектроники на основе сверхчистого кремния с разрешением в активной зоне порядка 0,1 микрометра будет стоит государству около 100 млрд долларов. Переход к гетероструктурам на основе соединений A₃B₅, созданным с использованием технологий наноэлектроники с той же производственной мощностью, потребует затрат порядка 200–300 млн. долларов. Это оставляет шанс таким странам, как Украина и Россия, не только догнать по уровню технологической оснащенности мировые державы, но и выйти по некоторым позициям в мировые лидеры.

Кроме того, от нанотехнологий ждут решения проблемы человеческого бессмертия, которое будет достигнуто за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма.

Нанороботы будут запущены в атмосферу и полностью ликвидируют вредное влияние жизнедеятельности человека на окружающую среду. Любые выбросы будут расщепляться на атомарном уровне и трансформироваться в естественные природные вещества. Эти же роботы смогут, например, сделать пригодной для обитания Луну и другие небесные тела. На них будут созданы вода, земная атмосфера и привычная землянам среда.

Эдвард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы, заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия» (имеется в виду ХХІ столетие). Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающим создание оружия.

Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации: первая половина XXI века.

2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья – четвертая четверти XXI века.

3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации: начало XXI века.

4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функциональными комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молока» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. Срок реализации: вторая – четвертая четверть XXI века.

5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.

7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая – вторая четверть XXI века.

9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Срок реализации: после XXI века.

Посмотрим критически на перечисленные выше перспективы.

· Производство объектов. Необходима согласованная работа гигантского количества наномашин. Этой совокупности машин каким-то образом должен передаваться огромный объем информации. Вероятно, что существование такой легко управляемой и надежной системы невозможно. Кроме того, как сделать, чтобы в отходах производства (неиспользованных элементах мусора и самоликвидировавшейся системе наномашин) не содержалось высокотоксичных радикалов? И, наконец, главный вопрос: не будут ли произведенные таким способом объекты ненастоящими, «бездушными» и негодными к употреблению в связи с тем, что микромир при низких энергиях (которым живут обычные вещи) не «заканчивается» на атомах, как мы сейчас полагаем?

· Медицина. Внедрение наномашин в живой организм – эту сложнейшую систему – может привести к возникновению ряда новых болезней и появлению страшных вирусов. С другой стороны, излечение всех болезней, продление жизни и оживление людей из криоанабиоза усиливает проблему перенаселения Земли и увеличивает конфликт «отцов и детей».

· Экология. Возможны непредвиденные нарушения в экосистемах.

· «Облагораживание среды». Разумная среда должна обладать крайне высокими «интеллектуальными способностями». Почему она должна служить человеку, а не развиваться самостоятельно и непредсказуемо, возможно во вред ему?

Наряду с указанными выше проблемами возникают следующие четыре группы проблем:

1. Применение молекулярной нанотехнологии в военных целях.

2. «Поломка» наносистем или даже выход их из-под контроля.

3. Проблемы, связанные с этификацией (облагораживанием) окружающей среды.

4. Проблемы бессмертия человека.

Следует заметить, что уже с 1994 года практически начинается применение нанотехнологических методов в промышленности.

Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Что же это такое?

Углеродные каркасные структуры – это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры – это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул – это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С₆₀, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80-х, начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от С₂₀ (минимально возможного из фуллеренов) и до С₇₀, С₈₂, С₉₆ и выше.

Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году, опять-таки совершенно неожиданно, были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Визуально структуру таких нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (предостережение: такое сворачивание графитовой плоскости – это лишь способ представить себе структуру нанотрубки; реально нанотрубки растут совсем по-другому). Казалось бы, что проще – берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал! Так что ученым оставалось только изучать их – и удивляться!

А удивительного было много. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не «рвутся» и не «ломаются», а просто-напросто перестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками! Может ли какой-либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которыми обладают нанотрубки?!

Наконец поражает многообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок. Первое, что напрашивается само собой, это применение нанотрубок в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1–5 Тпа, что на порядок больше, чем у стали! Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов – что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается – сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу (2 мм), как синтез многослойной нанотрубки. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры! Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь «трос» толщиной с человеческий волос, способный удерживать груз в сотни килограмм, найдет себе бесчисленное множество применений.

Нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования. На основе нанотрубки можно, к примеру, создать микроскопические весы. Берем нанотрубку, определяем (спектроскопическими методами) частоту ее собственных колебаний, затем прикрепляем к ней исследуемый образец и определяем частоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки: ведь масса системы увеличилась, а жесткость осталась прежней (вспомните формулу для частоты колебаний груза на пружинке). Было обнаружено, что груз уменьшает частоту колебаний с 3,28 МГц до 968 кГц, откуда была получена масса груза 22±8 фг (фемтограмм, т.е. 10^-15 грамм!).

Другой пример, когда нанотрубка является частью физического прибора – это «насаживание» ее на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить из с места на место.

Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились измерять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков!

Еще одно применение в наноэлектронике – создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа металл/полупровод-ник или стык двух разных полупроводников. Теперь для изготовления такой гетероструктуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем «сваривать» их друг с другом. Все, что требуется – это в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно, заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником). Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая –полупроводником!

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

С помощью того же атомного микроскопа можно производить запись и считывание информации с матрицы, состоящей из атомов титана, лежащего на ?-Al₂O₃ подложке. Эта идея уже также реализована экспериментально: достигнутая плотность записи информации составляла 250 Гбит/см². Однако в обоих этих примерах до массового применения пока далеко – слишком уж дорого обходятся такие наукоемкие новшества. Поэтому одна из самых главных задач здесь – разработать дешевую методику реализации этих идей.

Пустоты внутри нанотрубок (и углеродных каркасных структур вообще) также привлекали внимание ученых. В самом деле, а что будет, если внутрь фуллерена поместить атом какого-нибудь вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е.внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник! А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок? Оказывается, да. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния! Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Как, оказывается, много значит валентный электрон, отдаваемый атомом металла во всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура записывается как Gd @ C₆₀ @ SWNT, что означает «Gd внутри C₆₀ внутри однослойной полой нанотрубки (Single Wall Nano Tube)».

В нанотрубки можно не только «загонять» атомы и молекулы поодиночке, но и буквально «вливать» вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции «запаивания» и «распаивания» концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это – не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10–20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и «вскрываются» в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы.

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией. В развитых странах активно ведутся такие работы.

В Японии ежегодно ведутся работы примерно по 12 нанотехнологическим проектам. Крупнейшим в 1992 г. был «Angstrom Technology Project» – самый значительный из серии проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера (стоимость 185 млн долл., рассчитан на 10 лет). В его реализации участвуют 50–80 фирм. Проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

Можно отметить также проект «Atom Craft Project», связанный с атомной сборкой, проект квантовых функциональных приборов и др. По словам их руководителей, они формируют технологию XXI в. и планируют заложить основу для технологии терабитных кристаллов.

Из пяти направлений научных программ с 1995 г. главным является создание функциональных приборов на основе наноструктур. В ряде специализированных журналов опубликовано большое число новых работ, посвященных нанотехнологическим комплексам, применению их для конструирования нанороботов и использованию не только на Земле, но и в космосе.

Во Франции открыт клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании издаются журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», а в 1998 г. состоялась пятая международная конференция по данным проблемам.

Что касается России, то по масштабам фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологий она отстает от ведущих стран. Тем не менее в ряде институтов Российской академии наук проводятся серьезные работы в этой сфере. Так, в Физико-техническом институте им А.Ф. Иоффе под руководством Нобелевского лауреата Ж. Алферова осуществляются передовые разработки наногетероструктур, получившие международное признание (об этом свидетельствует проведение в институте в еще июне 2001 г. десятой международной конференции «Наноструктуры: физика и технологии»). Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники под руководством В.Аристова, а также в ФИАНе под руководством Ю.Ковалева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверхмикрокристаллические (СМК) материалы с размером зерен менее 1 микромиллиметра, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации – при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженнных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК- и СМК-структур можно создать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металл-полимерные композиты для применения в высокоэрцетивных постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких имплантантов.

В области прикладных нанотехнологических исследований можно отметить работы, проводимые корпорацией МДТ (Molecular Device Tools for Nanotechnology), которая была создана в 1991 г. в Зеленограде группой выпускников Московского физико-технического института. Основные направления бизнеса корпорации – молекулярные технологии.

Дочерняя компания корпорации – НТ-МДТ специализируется на оборудовании для молекулярной технологии – сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ), изделиях кремниевой микромеханики для нанотехнологий, установках для исследования и формирования пленок Ленгмюра-Блоджетт. В настоящее время корпорация производит СЗМ третьего поколения: СОЛВЕР-Р4, высоковакуумный (до 10^-10 торр) СОЛВЕР-37-UHV, широкопольный зондовый микроскоп СОЛВЕР-34-SPMLS-MDT для контроля качества матриц, применяющихся при производстве компакт-дисков, и др. Будучи не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI в.

Каков конкретный вклад ученых, стран в развитие нанотехнологии?

На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле – Европейский Союз (примерно 15 %) и Япония (20 %). Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре и Тайване. Если в 2000 году суммарные затраты стран мира на подобные исследования составили примерно $800 млн., то в 2001 году они увеличились вдвое и процесс увеличения затрат на эти работы продолжается высокими темпами. По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить не менее 1 трлн. долларов.

По прогнозам Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии США, развитие нанотехнологий через 10–15 лет позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в $15 млрд. и примерно 2 млн. рабочих мест. Ряд нанотехнологий используется на практике – к примеру, при изготовлении цифровых видеодисков (DVD).

В области медицины возможно создание роботов-врачей, которые способны «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая их возникновение. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие, за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

Ожидается, что уже в 2005–2006 гг. появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожать последствия старых загрязнений. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет – эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека.

Нанотехнологии имеют и блестящее военное будущее. Военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия «невидимости» (известны самолеты-невидимки, созданные на основе технологии stealth), энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. На военные наноисследования уже только в 2003 году США планировалось потратить $201 млн. Как предполагается, в 2008 году будут представлены первые боевые наномеханизмы.

Производители уже получают первые заказы на наноустройства. К примеру, армия США заказала компании Friction Free Technologies разработку военной формы будущего. Компания должна изготовить носки с использованием нанотехнологий, которые должны будут выводить за пределы носков пот, но сохранять ноги в тепле, а носки в сухости. Неизвестно, будут ли такие носки нуждаться в стирке.

Кое-какие подвижки чувствуются и у нас. К сожалению, пока лишь на уровне Национальной академии наук, которой, как говорится, сам Бог велел держать руку на пульсе науки. Как сообщил академик-секретарь отделения физики и астрономии НАНУ Антон Наумовец, Национальная академия наук, Министерство образования и науки Украины и научно-производственный концерн «Наука» совместно с Российской академией наук разработали программу «Нанофизика и наноэлектроника». Сопредседатели программы – лауреат Нобелевской премии, академик РАН и иностранный член НАНУ Жорес Алферов и академик НАНУ Николай Находкин. Перспективное сотрудничество в области нанотехнологий налаживается между научными организациями Украины и Германии. К сожалению, финансирование с украинской стороны является крайне скудным. Но, как говорится, лед все-таки тронулся.

Важнейшей проблемой нанотехнологии, как мы выяснили, является здоровье человека, продление жизни. Здесь очень много интересных проектов, предложений.

Что же может дать нанотехнология для продления жизни? Ответ естественен – мы можем создать микроскопических роботов для внутренней молекулярной хирургии даже для отдельных клеток. И прототипы подобных устройств уже созданы.

Национальный институт рака (США) и управление космонавтики НАСА приняли решение выделить в течение ближайших трех лет 36 миллионов долларов для разработки нанодатчиков – устройств размером в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Эти устройства смогут сканировать человеческий организм в поисках молекулярных признаков рака – например, дефектных белков, характерных для злокачественных клеток, – и определения местонахождения и формы опухолей. Приспособленные для переноса лекарств или «сменных» генов, такие устройства смогут атаковать только раковые клетки, не затрагивая здоровые, и обрабатывать их одну за другой. Это сделает излишними химиотерапию и рентгеновскую бомбардировку организма со всеми их печальными последствиями. Так что через каких-нибудь пятнадцать лет лечение самых страшных сегодня видов рака будет сводиться к приему таблетки, содержащей миллионы микроустройств, приспособленных для обнаружения и уничтожения раковых клеток внутри организма. И это не научная фантастика.

На конференции по молекулярной нанотехнологии, прошедшей еще в 2002-м году в Штатах, группа инженеров из штата Юта доложила о проекте совершенно нового типа микродвигателя, основанного на… «бактериальной тяге». Этот мотор предлагается для создания миниатюрного биоробота, который был бы способен двигаться внутри человеческого организма.

Молекулярные двигатели уже разработаны, но инженеры из Юты предложили новый подход. Они планируют использовать бактериальные клетки для преобразования теплового движения атомов в механическую энергию поступательного движения микроробота. Благодаря малости бактериального источника энергии размеры такого плавучего устройства можно будет уменьшить всего до нескольких микронов. А на следующем этапе авторы намерены приспособить для движения своего робота одни лишь флагеллы с их броуновскими моторами, без бактерий. В таком случае, по предварительным расчетам, размеры биомотора можно будет снизить до 100 и менее нанометров. Продолжительность его работы будет определяться продолжительностью жизни бактерий или флагелл, использованных для его перемещения, и авторы надеются довести этот срок службы до часа и более. Фирма «Reneissance Technologies» из штата Кентукки уже объявила, что первый прототип такого микробиоробота размером в один миллиметр будет выпущен на рынок в течение года.

А если это будут еще и саморазмножающиеся устройства, то они смогут осуществлять не только экстренные операции, но и текущий мониторинг – коррекцию состояния организма. Это сулит гигантские перспективы. Робот-симбиот может избавить нас от многих проблем. Ведь недаром Foresight Institute обещал 250 тыс. долларов тому, кто построит нано-робота («руку», которая сможет оперировать на молекулярном уровне) и тому, кто создаст 8-ми битный сумматор, умещающийся в кубике со стороной в 50 нанометров.

Как известно в 1986 г., усилиями ученых и инженеров был создан атомно-силовой микроскоп, позволивший, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. Именно тогда открылась перспектива создавать нанотехнические устройства. Дело в том, что для столь маленьких механизмов классическая технология не приемлема,и приходится опираться на разработки самой природы, которая, как известно, предпочитает углерод и органику.

Еще в 1991-м году удалось создать углеродные нанотрубки диаметром около 1 нм, однако лишь в 1997–1998 гг. им нашлось практическое применение в виде сверхчувствительных весов, на которых можно взвешивать вирусы. Более того, на основе нанотрубок были сделаны микротранзисторы.

По сообщению агентства «Информнаука» от 18 апреля 2000 г., японские ученые, испаряя в луче импульсного лазера таблетки из смеси нитрида бора, углерода и окиси кремния, обнаружили в продуктах реакции нанокатушку индуктивности, созданную самой природой.

В октябре 1998-го датские ученые продемонстрировали функционирование атомного бинарного тригера (позволяющего запоминать два состояния). Туннельный микроскоп использовался для удаления одного или двух атомов водорода от атома кремния, вследствие чего оставшийся атом водорода «переключался» в одно из двух положений.

13 января 1999 г. CNN сообщила о построении группой исследователей Надриана Симана (Nadrian C. Seeman) молекулярного двигателя на основе ДНК. Размер сгибающегося по команде механизма шарнирного типа составляет четыре десятитысячных толщины человеческого волоса. Устройство изготовлено при помощи соединения двух двойных спиралей ДНК посредством ДНК-моста. При подаче определенного химического сигнала часть этой структуры изгибается.

Это лишь первая «ласточка». «Мы пока не знаем, способен ли подобный механизм передавать нагрузку; мы продемонстрировали лишь то, что при движении правильно выдерживаются исходное и конечное положения. Что происходит в промежутке между ними, неизвестно,– сказал Ж. Симан. – Но мы постараемся использовать это открытие и надеемся, что в случае неудач сможем внести изменения, которые сделают конструкцию более полезной».

29 января 1999 г. Исследовательская группа Чикагского Северо-западного Университета (Northwestern University) опубликовала метод, названный ими dip-pin lithography, позволяющий чертить линии шириной в несколько атомов на поверхности золота. В июне 2000 г. они представили на суд публики 8-ми перьевой наноплоттер, способный создавать 8 идентичных изображений молекулярными чернилами с точностью рисунка до 1 молекулы и шириной линии 30 молекул.

И вот 25 января 2001 г. «AK&M» сообщил, что в Японии создан первый в мире молекулярный двигатель. Суперминиатюрная конструкция состоит из трех частей: иона металла и двух молекул порфинина – сложного циклического соединения, в состав которого входит хлорофилл, преобразующий свет в органические вещества. При определенной температуре ион притягивает с двух сторон молекулы, и под воздействием света и электрического напряжения те начинают вращаться. По мнению создателей, эта разработка открывает фантастические возможности в области молекулярных технологий. Энергия такого двигателя может быть использована в медицине при создании макроскопических препаратов или клеток-трансплантантов.

В июне 2001 г. нанотехнологи осуществляют новый прорыв. Роботы размером с рисовое зерно созданы Казуши Ишиямой (Kazushi Ishiyama) из японского Tohuku University. Этими машинками, имеющими внутри цилиндрические магниты длиной 8 мм и диаметром менее 1 мм, можно управлять с помощью электромагнитного поля, под воздействием которого роботы вкручиваются туда, куда надо вкрутиться. К. Ишияма разработал два прототипа – для жидкой и для плотной среды. Результаты первых испытаний обнадеживают: робот для жидкости успешно передвигался в емкости, заполненной силиконом, а «плотный» робот оказался в состоянии проходить сквозь двухсантиметровый бифштекс. Одно из устройств К. Ишияма оснастил металлическим шипом: предполагается, что, нагреваясь, он будет разрушать раковые клетки. Вводить в вены такую машинку можно через обычную иглу.