ОБЗОРЫ
Нанотехнологии: от отрицания до признания - за четыре года
Нанотехнология, подразумевающая возможность манипуляции отдельными молекулами и атомами вещества, - уникальная область науки. Авторитетные ученые, традиционно скептически относящиеся ко всем необычным и малоисследованным веяниям, обычно сдержанно оценивают перспективы развития различных областей знаний, как правило, редко занимаются прогнозами и крайне неохотно меняют свои взгляды. Так было в истории практически всех естественнонаучных дисциплин, и тем удивительнее перемена в отношении научных кругов к нанотехнологиям. Вплоть до 1998 г., когда появился первый транзистор наномасштаба, практические возможности применения нанотехнологий в академических кругах считались фантастикой. Затем, буквально в течение двух-трех лет, ученые мужи сменили гнев на милость, и в качестве возможных сроков появления первых прикладных нанопроектов уже назывались ближайшие 15-30 лет. Однако прошло всего четыре года, и мир захлестнула волна сообщений о работающих наноустройствах, собранных из отдельных молекул или даже атомов, и новых материалах, созданных с помощью нанотехнологий. Сегодня подобные новости воспринимаются как рядовые и очевидные.
С чем связана такая перемена? Прежде всего со стремительным ростом инвестиций в нанотехнологии, которые быстро привели к первым сенсационным достижениям, а также с весьма заманчивыми перспективами, обрисованными известными футурологами. Ведь наномеханизмы теоретически могут собирать любые вещи из произвольного подручного материала, что приведет к массовому изобилию; а наноустройства, запущенные в организм человека, способны следить за функционированием клеток и корректировать ход их жизнедеятельности в случае различных отклонений от заданных значений, в результате чего человек никогда не будет болеть и сможет жить вечно.
Рекламная шумиха подтолкнула инвесторов к более активным действиям, вложения быстро принесли новые захватывающие результаты. Такой самораскручивающийся процесс привел к тому, что в 2003 г. суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологии достигли 6 млрд. долл. Еще в 1998 г. объем этих инвестиций был на два порядка меньше!
Таблица 1. Раздел рынка нанотехнологий по направлениям
В США Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI) стартовала в 2000 г. Первоначально на исследования было выделено 270 млн. долл., в текущем году американские нанотехнологии освоили уже 770 млн. бюджетных денег, на следующий год ожидается финансирование в размере 849 млн. долл., а в ближайшие три года вложения составят 2,4 млрд. долл. Большая часть этих инвестиций поступает в Национальный научный фонд США, министерства обороны и энергетики. Китай в прошлом году израсходовал на наноисследования 200 млн. долл., Япония - 750 млн., а в этом году ее инвестиции в нанотехнологии достигнут миллиарда долларов.
В 2003 г. государства всех стран мира потратили на нанонауку 2 млрд. долл., в результате чего данная научная область стала самой финансируемой. Немаловажно, что сфера нанотехнологий удобна для инвестиций, так как в ней действует ограниченное число наукоемких команд по небольшому перечню прорывных направлений. Но пока усилия специалистов сосредоточены на создании и совершенствовании средств нанопроизводства - сложных программно-аппаратных комплексов, активно использующих достижения искусственного интеллекта и упрощающих проектирование и визуализацию работы наномеханизмов, подчиняющихся нелинейной логике физики частиц.
Таблица 2. Раздел рынка нанотехнологий по странам и регионам
Но инвестиции делаются, конечно, в расчете на ощутимую отдачу. И она не за горами. По данным английского министерства торговли, в 2005 г. спрос на услуги рынка нанотехнологий достигнет 100 млрд. долл., а к 2015-му вырастет в 10 раз, после чего темпы роста значительно снизятся. В этой сфере к тому времени будет задействовано 2 млн. работников.
Уже с 2006 г. должна резко возрасти практическая отдача от сегодняшних наработок. Через 3-5 лет начнется активный дележ рынка, а передел его закончится к 2010-2015 гг. Прогнозируемый раздел рынка между промышленными направлениями показан в табл. 1, а между странами - в табл. 2.
По активности научных исследований первые пять мест занимают США, Япония, Китай, Германия и Франция. А Китайский научно-технический университет по числу публикаций в этой области держит второе место следом за Калифорнийским. В КНР только с 2000 г. открылись 600 компаний, занимающихся нанотехнологиями.
Шимон Перес, лидер Партии труда Израиля и ее бывший премьер-министр, посетил этой осенью прошедший в США Всемирный наноэкономический конгресс, где просил инвесторов выделить его стране 300 млн. долл. на наноинициативу. В последний раз схожую активность г-н Перес проявил 45 лет назад в отношении работ Израиля над ядерным оружием.
Давайте познакомимся с нанотехнологиями поближе. Чтобы получить представление о потенциале данного направления, взглянем на историю и сегодняшнее состояние этой науки, а также узнаем мнение ведущих экспертов о ее ближайшем и отдаленном будущем.
Из истории нанотехнологий
Один нанометр (от греческого "нано" - карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.
1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп - вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме "Цейс", но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.
1939 г. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).
1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.
1971 г. Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.
Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.
1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.
1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах. Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи - острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.
1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены - молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул. Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью - в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.
1987-1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П. Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании. Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго - атомы быстро разбежались с поверхности. Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали. Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными - их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор - робот размером с человека, состыкованный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу. Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.
1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.
1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.
Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.
В Японии запущена программа "Astroboy" по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.
1999 г. Американские ученые - профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) - разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.
Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии - создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.
Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.
2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
На NNI отпущено 770 млн. долл. В бюджете NNI 2004 г. заложена сумма 849 млн. долл.
Современное состояние рынка нанотехнологий
Сегодняшний уровень зрелости нанотехнологий примерно соответствует уровню зрелости ИТ 60-х годов XX века. Правда, по скорости взросления наноподходы значительно опережают своих информационных "коллег". Текущие достижения пока весьма разрозненны и не систематизированы. Наиболее значительных прикладных успехов добились, конечно, производители микроэлектроники. Кроме того, в самое ближайшее время ожидается начало массового и дешевого производства нанотрубок, что окажет стимулирующее влияние на выпуск новых материалов, отличающихся повышенной прочностью и легкостью. Ведущие косметические и фармацевтические фирмы также начинают переход к нанотехнологиям. Правда, изготавливаемые с их помощью препараты пока остаются самыми дорогими в своих категориях.
И в других областях промышленности достижения единичны, хотя нет никаких принципиальных препятствий к масштабному использованию нанорешений - дело только за совершенствованием технологических процессов, на что уйдет три - пять лет.
Электроника
Собственные нанопрограммы развивают практически все ведущие разработчики электроники - IBM, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Mitsubishi, Motorola, NEC, 3M и др. Специалисты Intel совместно с учеными университета Беркли продемонстрировали одноэлектронный транзистор на базе открытых нобелевскими лауреатами Ричардом Смэлли, Робертом Карлом и Хэрольдом Крото фуллеренов (молекул углерода С60), служащих сегодня основой углеродных нанотрубок. А в ряде японских фирм уже проектируются одноэлектронные логические схемы.
Нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM, предложил несколько лет назад технологию миллипедов (millipede). Он обратил внимание на способность силового микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить миллипеды к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество таких ямок. В результате нынешнюю плотность записи данных на жестких дисках (100 Гб на 1 кв. см) IBM обещает повысить в десятки раз с помощью нескольких сотен параллельно работающих нанозондов. А в компании Hitachi отрабатывается технология смены полярности наномагнитов, кодирующих биты. К 2010 г. с ее помощью плотность записи данных можно будет увеличить в 100 раз.
Значительное внимание нанотехнологи уделяют направлению микроэлектромеханики MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) - миниатюрным промышленным системам, объединенным с чипами. По оценкам NEXUS (Европейская ассоциация MEMS-производителей), MEMS-рынок вырастет с 240 млн. долл. в 1996 г. до 690 млн. долл. к 2005-му.
В этом году стало известно о переговорах представителей компаний Intel, AMD и Apple с руководством фирмы Cooligy, выпускающей MEMS-системы водяного охлаждения процессоров. Предложенный Cooligy электрокинетический MEMS-нанос прогоняет воду по микроканалам процессора, снимая в четыре раза больше тепловой энергии (1 кВт), нежели существующие системы воздушного охлаждения.
Военное научное агентство DARPA на базе MEMS готовит микросамолет длиной 15 см и массой 50 г, способный держаться в воздухе 60 мин, подниматься на высоту 10 км и двигаться со скоростью 30 км/ч. Он оборудован видео- и инфракрасной камерами и радаром, а его бортовой микрокомпьютер обеспечивает самостоятельное движение по заданному маршруту.
Но на смену недавно появившемуся термину MEMS уже спешит новый - NEMS (наноэлектромеханика), и MEMS-производители обещают на базе нанотехнологий выпустить через год-два умные радиодатчики RFID с микроантеннами.
Энергетика
Ученые университета г. Тулса (шт. Оклахома) изобрели батареи размером 1 мкм, которые прекрасно подойдут для питания крохотных роботов. В научных институтах ряда стран проходят финальные стадии экспериментов по созданию углеродных электродов на основе одностенных нанорожков (особой разновидности нанотрубок) для метаноловых топливных элементов, способных обеспечивать десятки часов непрерывной работы ноутбуков и мобильных телефонов.
Наночастички разных материалов служат отличным катализатором. Так, добавленное в сырую нефть нанозолото значительно повышает качество процесса ее очистки. А присадка к топливу на основе углеродных трубок приводит к его более полной утилизации, снижая к тому же уровень вредных выбросов.
В университете Беркли запущен электрический однолопастный ротор размером 300 нм. Лопасть прикреплена к валу, сделанному из углеродной трубки.
Медицина
На смену проекту "Геном человека" пришел проект "Геном эпитаксиального слоя человека", фиксирующий химические процессы, способные запускать или останавливать работу различных человеческих генов. Такую работу можно выполнить только на базе современных нанодостижений. А Минздраву России с помощью нанотехнологий удалось расшифровать генетический код вируса атипичной пневмонии, полученного у единственного заболевшего ею российского гражданина.
В университете Лос-Анджелеса создан зонд, состоящий из одной молекулы длиной 20 нм и способный образовывать временные связи с отдельными участками молекулы ДНК. Структуру ДНК можно при этом фиксировать в процессе томографического сканирования образцов растворов, содержащих такие молекулярные комплексы. Институт аналитического приборостроения РАН разработал ДНК-анализатор "Нанофор 03-С", определяющий последовательности молекул и выполняющий фрагментный анализ ДНК с разрешением в один нуклеотид.
Компания Rutgers трудится над наномотором (проект Viral Protein Nano Motor) для устройства, перемещающегося по кровеносной системе человека и восстанавливающего поврежденную клеточную структуру. Сегодня все крупнейшие фармацевтические компании занимаются созданием систем клеточной доставки лекарств, подразумевающих перенос нанороботами целебных молекул прямо к вредоносным бактериям.
Помогли нанотехнологии и биологам. С их помощью австралийский геолог Филиппа Уине смогла выявить бактерии размером 100 нм (так называемые нанобы) в образцах, пролежавших в грунте сотни миллионов лет. Ранее считалось, что живая клетка не может поддерживать нормальный обмен веществ, если ее размер не превышает 200 нм. Но оказалось, что нанобы отлично живут и размножаются - правда, только в коллективе. В колонии нанобов различные группы бактерий берут на себя разные функции по поддержанию общей жизнедеятельности.
Промышленность
Концерн BMW разрабатывает на базе нанопорошков самоочищающиеся автомобильные поверхности, а в Audi такие порошки применяются для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам. Процессоры Intel и AMD полируются нанопорошком, что позволяет избежать загрязнения поверхности микроскопическими пылинками. Активно используются нанопорошки при изготовлении DVD-дисков.
В Калифорнийском университете создана легкая пена, содержащая наночастички стекла и превращающаяся после затвердевания в высокопрочный материал. Другая находка этих ученых - материал, поверхность которого представляет собой множество игл длиной несколько нанометров, - будет применяться для покрытия корпусов подводных лодок. Он позволит снизить уровень трения корпуса о воду и сделает субмарины бесшумными. А еще одно достижение калифорнийцев, источник когерентного излучения на базе одного атома цезия, упростит управление будущими квантовыми компьютерами.
Ученые из российского Института общей физики РАН и Института нанотехнологий Международного фонда "Конверсия" вырастили на поверхности алюминия с хромовым покрытием с помощью установки нанолитографии "Луч-2" углеродные объекты размером 3 нм.
В Принстонском университете разработан деформируемый электропроводник, который можно растягивать в два раза (до сих пор лучшие эластичные проводящие материалы растягивались на 5-10%). Он представляет собой проводящий слой из золота толщиной 25 нм. Теперь появляется возможность создавать переносные надувные компьютерные сети и кожу для роботов, способную передавать "ощущения" и упрощающую управление периферийными системами.
Пока наиболее востребованным товаром на рынке наноматериалов остаются углеродные трубки. Компания Carbon Nanotechnologies продает их по цене 500 долл. за 1 г, а в день она изготавливает около 1 кг трубок. Небольшие объемы производства объясняются не только ограниченными мощностями. Фирмы, выпускающие товары массового спроса, не спешат использовать нанотрубки прежде всего потому, что их пока нельзя закупать в больших количествах. Но такой замкнутый круг будет разорван уже в ближайшие 2-3 года, когда объем производства углеродных трубок вырастет в сотни раз.
Особое внимание нанотехнологи уделяют кристаллографии. Дело в том, что ручная сборка одного наноустройства из атомов может потребовать нескольких лет, а до появления молекулярных роботов-сборщиков еще далеко. Поэтому немало исследований направлено на поиск технологий выращивания наноматериалов и наноустройств в виде кристаллов, которые к тому же по достижении определенного размера могут распадаться на множество копий с идентичной структурой.
Институт кристаллографии РАН представил технологию управляемого выращивания нитевидных кристаллов кремния (так называемые острийные наноструктуры), за рубежом пока отсутствующую. Радиус закругления на вершинах кристаллов составляет всего 2 нм, что позволяет использовать их в наноэлектронике как точечные источники электронов в лучевых приборах. Еще один проект ИК РАН - подготовка трековых наномембран с порами 50-5000 нм, применяемых в проектах выделения вирусов, тонкой очистки воздуха или жидкости и во множестве других задач.
А создаваемый в ИК РАН компьютерный программный комплекс BARD (базовый анализ рефлектометрических данных) позволит определять электронную структуру тонких (в том числе нано-) пленок, анализируя различные виды рассеиваемого ими излучения. Производители, зная детальную структуру нанопленок, смогут выпускать их промышленные образцы высокого качества.
