Ю. СВИДИНЕНКО, инженер-физик

Наноструктуры заменят традиционные транзисторы.

Компактная учебная нанотехнологическая установка "УМКА" позволяет производить манипуляции с отдельными группами атомов.

При помощи установки "УМКА" удается рассмотреть поверхность DVD.

Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.

Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Едва ли не каждый месяц появляются сообщения о новых проектах, казавшихся еще год-другой назад абсолютной фантастикой. По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от современных "объемных" bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.

Напомним читателю, что нано - приставка, обозначающая 10 -9 . На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода.

Нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные и от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см 3 .

Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук, часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела, электроники.

Ведущий мировой специалист в области наномедицины Роберт Фрайтас сказал: "Будущие наномашины должны состоять из миллиардов атомов, поэтому их проектирование и построение потребуют усилий команды специалистов. Каждая конструкция наноробота потребует объединения усилий нескольких исследовательских коллективов. В проектировании и построении самолета "Боинг-777" участвовало множество коллективов во всем мире. Наномедицинский робот будущего, состоящий из миллиона (или даже больше) рабочих частей, по сложности конструкции будет не проще самолета".

НАНОПРОДУКТЫ ВОКРУГ НАС

Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы - основа всех чипов - лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм.

Более того, как недавно заявили представители компании "Хьюлетт-Паккард", транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами. Один такой элемент - это три проводника шириной в несколько нанометров: два из них параллельны, а третий расположен под прямым углом к ним. Проводники не соприкасаются, а проходят, как мосты, один над другим. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из материала нанопроводников под воздействием приложенного к ним напряжения. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить данные и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы.

С новой технологией размеры деталей микросхем опустятся существенно ниже планки в 10-15 нанометров, в масштабы, где традиционные полупроводниковые транзисторы просто физически не могут работать. Вероятно, уже в первой половине следующего десятилетия появятся серийные микросхемы (пока еще традиционные, кремниевые), в которые будет встроено некоторое количество наноэлементов, созданных по новой технологии.

Компания "Кодак" в 2004 году выпустила бумагу для струйных принтеров Ultima. Она имеет девять слоев. Верхний слой состоит из керамических наночастиц, которые делают бумагу более плотной и блестящей. Во внутренних слоях расположены пигментные наночастицы размерами 10 нм, улучшающие качество печати. А быстрой фиксации краски способствуют включенные в состав покрытия полимерные наночастицы.

Директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин считает, что "нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры. Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем доски, из проводящего металла - проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые "строительные блоки", которые составят основу будущей промышленности".

Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также "Наука и жизнь" №№ , , 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.

В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.

Отечественный концерн "Наноиндустрия" разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.

Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.

Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.

Еще один вид наноматериалов - обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. "Наука и жизнь" № 5, 2002 г. ; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С 60 . Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.

Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

РОССИЯ НА РЫНКЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Отечественная компания "Nanotechnology News Network" недавно представила в России другую новинку - самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов - на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.

Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.

Концерн "Наноиндустрия", например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный состав "РВС" и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная нанотехнологическая установка "ЛУЧ-1,2" и учебная нанотехнологическая установка "УМКА".

Состав "РВС", который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.

Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования "УМКА", который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). "УМКА" обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.

Основная сфера применения комплекса "УМКА" - обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс "УМКА" включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.

В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологичес кие продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете - www.nanobot.ru

ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С 60 , называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).

Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C 60 , которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C 60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.

Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C 60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.

Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо - для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.

Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.

Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.

НАНОТЕХНОЛОГИЯМ НУЖНА ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА

К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.

Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть: за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана аналитическая компания "Nanotechnology News Network (NNN)", отслеживающая сотни открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500 информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов и экспертных комментариев. Созданы сайты www.mno.ru и www.nanonewsnet.ru , с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ.

КОНКУРС МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ

В апреле 2004 года совместно с концерном "Наноиндустрия" при поддержке "Юниаструм Банка" был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.

Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика - подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье - школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.

При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник "Нанотехнологии для всех", заслуживший высокую оценку ведущих ученых.

Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса "Юниаструм Банк". Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания "Powercom" - международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал "Наука и жизнь".

Цель конкурса - привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.

Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию "УМКА". Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал "Наука и жизнь". В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал "Универсум" и ежемесячные CD "Мир нанотехнологий".

Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте www.nanonewsnet.ru .

В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них - новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.

Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.

Видели ли вы когда-нибудь монитор, толщина которого меньше миллиметра? А несгораемую и непромокаемую бумагу? Или одежду, которую невозможно испачкать? Это не фантастика! Это то, что ожидает нас в недалеком будущем. Такие необычные предметы могут подарить человеку нанотехнологии . То, что технология - это способ производства какого-либо объекта, знает каждый. А вот что означает приставка «нано»? «Нано» - одна миллиардная доля чего-либо. Один нанометр – миллиардная доля метра. 1нм = 0,000000001 м. Попробуем представить себе объекты такого размера. Нанометр меньше метра примерно настолько, насколько грецкий орех меньше земного шара. Размеры в несколько нанометров имеют большие молекулы, например, белки. Атомы и обычные молекулы меньше, они измеряются десятыми долями нанометров. Нанотехнология - комплекс методов, который позволяет создавать объекты наноразмеров (от 1 до 100 нм). Такие объекты имеют особые свойства. Именно эти свойства наноматериалов позволят использовать их для новейших научных достижений. Уже сейчас нанотехнологии - наиболее перспективное и финансируемое направление в мировой науке.

На что способны нанотехнологии

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает "с нано". Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Новые технологии – это то, что двигает человечество вперёд на его пути к прогрессу. Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства, в котором мы живём.

Считается, что зарождение многих технологий, которые мы до сих пор используем, произошло на рубеже XVIII и XIX веков, когда на смену ручному труду пришли тепловые двигатели - сначала в текстильной, а затем и в других отраслях промышленности. Этот скачкообразный переход к машинному производству обычно называют промышленной революцией. Промышленная революция привела не только к массовому применению машин, но и изменению всей структуры общества – произошла трансформация аграрного общества в индустриальное. В результате резко выросли производительность труда и уровень жизни людей.

Промышленная революция, начавшись в текстильной промышленности, подтолкнула развитие технологий железнодорожного сообщения. В свою очередь, дальнейший рост перевозок различных товаров был невозможен без новых технологий автомобилестроения. Так, каждая новая технология всегда вызывает рождение и развитие смежных технологий.

Вторая мировая война способствовала рождению новых технологий – информационных, и поэтому период времени, в который мы живём, называют информационной революцией (см. рисунок). Начало информационной революции совпало с развитием компьютерных технологий, без которых жизнь современного человека кажется немыслимой.

Развитие компьютерных технологий всегда было связано с миниатюризацией элементов электронных схем. В настоящее время размер одного логического элемента (транзистора) компьютерной схемы составляет около 10-7 м, и учёные полагают, что дальнейшая миниатюризация элементов компьютера возможна только тогда, когда будут разработаны специальные технологии, получившие название «НАНОТЕХНОЛОГИИ».

Что такое «нано»?

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10 -9 м). Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80 000 нм.

На рисунке слева направо в порядке роста размеров показаны самые разные объекты – от атома до Солнечной системы. Человек уже научился извлекать выгоду из объектов самых разных размеров. Мы можем расщеплять ядра атомов, добывая атомную энергию. Проводя химические реакции, мы получаем новые молекулы и вещества, обладающие уникальными свойствами. С помощью специальных инструментов человек научился создавать объекты – от булавочной головки до огромнейших сооружений, которые видны даже из космоса.

Однако, если взглянуть на рисунок, то можно заметить, что существует довольно большой диапазон (в логарифмическом масштабе), куда долгое время не ступала нога учёных – между сотней нанометров и 0,1 нм. С объектами, имеющими размер от 0,1 нм до 100 нм, и предстоит работать нанотехнологиям, о которых в последнее время так много говорят. И есть все основания считать, что можно заставить наномир работать на нас.

На наших глазах фантастика становится реальностью – становится возможным перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Нанотехнологии, использующие самые последние достижения физики, химии и биологии – это не, просто, количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.

Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции

Самолёты, ракеты, телевизоры и компьютеры изменили окружающий мир в 20 веке. Учёные утверждают, что в наступившем 21-м веке стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, сделанные с использованием нанотехнологий.

Идея о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в выступлении речи лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте ("Там, внизу, полно места!"). Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров». Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например, в 2000 г., люди будут удивляться тому, почему учёные первой половины XIX века, проскочили этот нанодиапазон размеров, сконцентрировав все свои усилия на изучении атома и атомного ядра. По словам Фейнмана люди очень долго жили, не замечая, что рядом с ними живёт целый мир объектов, разглядеть которые было невозможно. Ну, а если мы не видели эти объекты, то мы и не могли работать с ними.

Тем не менее, мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки – кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях – одни оказываются в ядре, другие – в цитоплазме, а третьи – в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.

Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров. «Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т. п. Рост числа элементов приведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ.»

Позвав учёных в наномир, Фейнман сразу же предупреждает о тех препятствиях, которые их там ожидают, на примере изготовления микроавтомобиля длиной всего 1 мм. Так как детали обычного автомобиля сделаны с точностью 10-5 м, то детали микроавтомобиля следует изготовлять с точностью в 4000 раз выше, т.е. 2,5.10-9 м. Таким образом, размеры деталей микроавтомобиля должны соответствовать расчётным с точностью ± 10 слоёв атомов.

Наномир не только полон препятствий и проблем. Нас в наномире ожидают и хорошие новости - все детали наномира оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса нанообъектов уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, а площадь их поперечного сечения – пропорционально второй степени. Значит, механическая нагрузка на каждый элемент объекта – отношение веса элемента к площади его поперечного сечения – уменьшается пропорционально размерам объекта. Таким образом, пропорционально уменьшенный наностол обладает в миллиард раз более толстыми наноножками, чем это необходимо.

Фейнман считал, что человек сможет легко освоить наномир, если создаст машину-робота, способного делать уменьшенную, но работоспособную копию самого себя. Пусть, например, мы научились делать робот, который может без нашего участия создавать свою уменьшенную в 4 раза копию. Тогда уже этот маленький робот сможет сделать копию первоначального, уменьшенную уже в 16 раз и т.д. Очевидно, что 10-е поколение таких роботов будут создавать роботы, размеры которых будут в миллионы раз меньше первоначальных

Конечно, по мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Ничтожный вес деталей наноробота приведёт к тому, что они будут прилипать друг другу под действием сил межмолекулярного взаимодействия, и, например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания. Однако известные нам законы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

Чтобы как-то стимулировать создание микрообъектов, Фейнман обещал заплатить 1000 долларов тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (1 дюйм » 2,5 см). И совсем скоро такой микромоторчик был создан. С 1993 года премия имени Фейнмана присуждается ежегодно за выдающиеся достижения в области нанотехнологий.

В своей лекции Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». При этом, как считал Фейнман, физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики - просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.

Машины созидания Э. Дрекслера

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским учёным Эриком Дрекслером в начале 1980-х годов и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии».

Вот, как начинается его книга. «УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань - на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами. Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупые, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.

Но законы природы дают много возможностей для прогресса, и давление мировой конкуренции всегда толкает нас вперед. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории ожидает нас впереди.»

По определению Дрекслера нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Как считают многие специалисты, в течение следующих 50-ти лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча таких наномашин вполне смогут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. Чтобы собирать наномашины, необходимо:

  1. научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место.
  2. разработать сборщики (assemblers) – наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами так, как это объяснено в (1), по программам, написанным человеком, но без его участия. Так как каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то по оценкам учёных необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени.
  3. разработать репликаторы – устройства, которые бы изготовляли наносборщики, т.к. их придётся изготовить очень и очень много.

Пройдут годы, пока появятся наносборщики и репликаторы, но их появление кажется почти неизбежным. При этом каждый шаг на этом пути сделает следующий более реальным. Первые шаги на пути создания наномашин уже сделаны. Это - "генная инженерия" и "биотехнология".

Принцип неопределённости Гейзенберга и наномашины

Из квантовой физики известно – невозможно точно определить местоположение частицы и её импульс. Ограничивает ли это то, что могут делать наномашины?

Действительно, принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и эта расплывчатость определяет размер и структуру атомов. Однако атом как целое имеет сравнительно определённое местоположение, т.к. масса его ядра в тысячи раз больше, чем у электронов. Кроме того, если бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Поэтому принцип неопределённости не накладывает существенные ограничения на точность, с которой можно размещать атомы по своим местам, конструируя наномашины.

Однако использовать квантовую механику, чтобы ответить на поставленный выше вопрос вообще нет необходимости. Ведь, существующие в каждой живой клетке молекулярные машины, собирающие «атом-за-атомом» огромные молекулы белков, имеющие наноразмеры, уже доказывают то, что наномашины возможны!

Тепловые колебания молекул и наномашины

Анализируя возможности создания наномашин, Э. Дрекслер обсуждает в своей книге, насколько тепловые колебания молекул способны повлиять на работу этих машин. Не приведут ли эти колебания к многочисленным ошибкам в работе наномашин?

Ответить на этот вопрос снова помогают молекулярные машины живых клеток, которые прекрасно работают при температуре около 300 К, несмотря на тепловые колебания молекул. Как показали исследования, в некоторых клетках при копировании ДНК совершается всего ОДНА ошибка на 100 000 000 000 операций! Чтобы достичь такой высокой точности, живые клетки используют специальные наномашины, например, фермент ДНК-полимераза I, которые проверяют копию и исправляют ошибки копирования. Очевидно, что для будущих автоматических сборщиков наномашин будут необходимы аналогичные алгоритмы проверки и исправления ошибок.

Машины исцеления

Э. Дрекслер предложил использовать наномашины для лечения человека. Человеческое тело сделано из молекул, и люди становятся больными и старыми из-за того, что появляются «ненужные» молекулы, а концентрация «нужных» уменьшается или их структура изменяется. В результате этого люди и страдают. Ничто не мешает человеку изобрести наномашины, способные переупорядочить атомы в «испорченных» молекулах или собирать их заново. Очевидно, что такие наномашины могут сделать революцию в медицине.

В будущем будут созданы наномашины (нанороботы), приспособленные для того, чтобы проникать в живую клетку, анализировать её состояние и в случае необходимости «лечить» её, изменяя структуру молекул, из которых она состоит. Эти наномашины, предназначенные для ремонта клеток, будут сопоставимы по размеру с бактериями и будут двигаться через ткани организма человека так, как это делают лейкоциты (белые клетки крови), и входить внутрь клеток, как это делают вирусы.

С созданием наномашин для ремонта клеток лечение больного превратится в последовательность следующих операций. Сначала, отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, наномашины будут восстанавливать (лечить) клетку за клеткой какой-либо ткани или органа. Затем, отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье человека.

Схематическое изображение наноробота на поверхности клетки. Видно, как щупальца наноробота проникли внутрь клетки. Автор: Ю. Свидиненко. Взято из http://www.nanonewsnet.ru/

Фотолитография – дорога в наномир: сверху вниз

Учёные и технологи уже давно стремятся в мир маленьких размеров, особенно, те из них, которые разрабатывают новые электронные приборы и устройства. Чтобы электронное устройство было умным и надёжным, оно должно состоять из огромного числа блоков, а значит, содержать тысячи, а иногда и миллионы транзисторов.

При изготовлении транзисторов и интегральных схем применяется оптическая фотолитография. Суть ее в следующем. На окисленную поверхность кремния наносится слой фоторезиста (полимерный светочувствительный материал), и затем на него накладывается фотошаблон - стеклянная пластинка с рисунком элементов интегральной схемы

Пучок света проходит через фотошаблон, и там, где черного цвета нет, свет попадает на фоторезист и засвечивает его

После этого все те участки фоторезиста, которые не обрабатывались светом, удаляются, а те которые освещались, подвергаются термообработке и химическому травлению. Таким образом, на поверхности окисла кремния образуется рисунок, и пластинка кремния готова, чтобы стать основной частью электронной схемы.

Транзистор был изобретен в 1947 году, и тогда его размеры составляли около 1 см. Совершенствование фотолитографических методов позволило довести размер транзистора до 100 нм. Однако основой фотолитографии является геометрическая оптика, а значит, с помощью этого метода невозможно провести две параллельные прямые на расстоянии, меньшем длины волны. Поэтому сейчас при фотолитографическом изготовлении микросхем используют ультрафиолет с малой длиной волны, но дальше уменьшать длину волны становится дорого и сложно, хотя современные технологии уже используют электронные пучки для создания микросхем.

Внедрение в мир наноразмеров, по которому шли изготовители микросхем до сих пор, можно назвать дорогой «сверху вниз». Они используют технологии, хорошо себя зарекомендовавшие в макромире, и лишь пытаются менять масштаб. Но есть и другой путь – «снизу вверх». А что, если заставить сами атомы и молекулы самоорганизовываться в упорядоченные группы и структуры размером в несколько нанометров?

Примерами самоорганизации молекул, образующих наноструктуры, являются углеродные нанотрубки, квантовые точки, нанопроволоки и дендримеры

(По материалам Богданова К.Ю.)

В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».

Учёные утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Например, крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, смогут быстро лечить те или иные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу.

Благодаря нанотехнологиям появятся «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи» и «умная пыль». Люда станут носить одежду, которая не пачкается, более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ.

Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане.

Словом, учёные-нанотехнологи действительно намерены существенно преобразить жизнь человека.

Что такое нанотехнологии

Что же такое нанотехнологии? И как именно они позволяют менять свойства вещей?

Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов - «нано» и «технологии».

«Нано» - греческое слово, означающее одну миллиардную часть чего-нибудь, например, метра. Размер одного атома немного меньше нанометра. А нанометр настолько меньше метра, насколько обыкновенная горошина меньше земною шара. Если бы рост человека был один нанометр, то толщина листа бумаги показалась бы человеку равной расстоянию от Москвы до города Тулы, а это целых 170 километров!

Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку.

А нанотехнологии - это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов.

Существует два способа получения наночастиц.

Первый, более простой, метод - «сверху вниз». Исходный материал измельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной.

Второй - получение наночастиц путём объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это более сложный способ, но именно за ним учёные видят будущее нанотехнодогий.

Первый способ получения наночастиц - измельчение материала до тех пор, пока частица не станет наноразмерной. Второй способ получения наночастиц - объединение атомов в наночастицу различными способами.

Получение наночастиц этим способом напоминает работу с конструктором. Только в качестве деталей используются атомы и молекулы, из которых учёные создают новые наноматериалы и наноустройства.


Популярно о нанотехнологиях
Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека – создавать продукты с заданной атомарной структурой, поэтому разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, электронике, экологии… С помощью нанотехнологии можно очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества…

Итак, перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Но для этого необходимо широкое распространение основных идей отрасли. ИАЦ «Нанотехнологии и материалы» предоставляет актуальную и проверенную информацию о нанотехнологиях, материалах, связанных с ними, а также о событиях в мире нанотехнологий.

Что такое нанотехнологии?
Нанотехнология – область науки и техники, занимающаяся изучением свойств частиц и созданием устройств, имеющих размер порядка нанометра. Приставка нано- – приставка СИ (метрической системы единиц), означающая одну миллиардную долю чего-либо, соответственно один нанометр = 1·10-9 метров. Также нанотехнологию иногда определяют как технологию манипулирования отдельными атомами и молекулами. Этот раздел нанотехнологии также называется «Молекулярной нанотехнологией», это весьма перспективный и многообещающий раздел. Нанотехнология ныне находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, все еще не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. За применение передовых научных исследований нанотехнологию относят к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология, и в особенности молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Нанотехнологии в мире
Об интересе зарубежных стран к развитию нанотехнологий свидетельствуют следующие факты. В Японии действующая с 1999 года японская «Национальная программа работ по нанотехнологии» имеет высший государственный приоритет «Огато». США до 2000 года отставали от Японии по объему финансирования работ в этой области, что в свое время стало предметом государственного обсуждения. В результате объем финансирования только фундаментальных исследований каждый год стал удваиваться, и по решению правительства работы по нанотехнологии получили высший приоритет. В США разработана программа «Национальная нанотехническая инициатива», а при президенте организован специальный комитет, координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и военных ведомствах. В 2004 году сенат США одобрил законопроект, предусматривающий в течение последующих четырех лет ассигнования на исследования и разработки в сфере нанотехнологий в размере 3,7 млрд. долларов.

Страны ЕС пошли по пути развития научно-технологического потенциала путем интеграции усилий всех стран - участников ЕС и привлечения третьих стран. Особое внимание при этом уделяется сотрудничеству с учеными из бывшего СССР, особенно из России.

Перспективы нанотехнологии
МЕДИЦИНА
Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации - первая половина XXI века.

ГЕРОНТОЛОГИЯ
Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Прогнозируемый срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - 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 - молоко» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо - все, что угодно)». Стоит ли говорить о том, что подобное «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. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй - четвертой четвертях XXI века.

БИОЛОГИЯ
Станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

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. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

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.

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. Прогнозируемый срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.

РАЗУМНАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ
За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века.