Нанотехнологии

Век квантово-релятивистской механики и ускорителей элементар­ных частиц, генетики и молекулярной биологии, космических аппара­тов и Интернета, но также век атомной бомбы, геноцида и масштаб­ных техногенных катастроф. Что получаем мы, люди XXI в., в наслед­ство от ушедшего столетия?

Минувший век ознаменовался торжеством естественных наук, их высоким авторитетом, общественный престиж науки вообще и образо­вания был чрезвычайно высок практически во всех странах мира, что было закономерно связано с успехами в фундаментальных и приклад­ных науках. Человечество как никогда близко подошло к разгадке тайн Вселенной, при этом компетентные и научно обоснованные решения чисто бытовых проблем человечества серьезно улучшили условия его обитания в окружающей природной среде. XX век был вообще веком масштабов, веком укрупнения и объединения. На фоне объединения государств, капиталов и создания транснациональных корпораций было естественным и объединение усилий ученых но решению акту­альных научных проблем: отныне они решаются коллективами уче­ных, гениальные ученые-одиночки остались в XIX в.

Во второй половине XX в. был дан старт реализации нескольких долговременных научных программ, важность которых для развития пауки и для человечества в целом не вызывает сомнения. Выполнение их продолжается и в настоящее время, а завершение работ по ним (ес­ли оно вообще возможно, так как в рамках этих программ ставятся все новые и новые актуальные задачи) планируется в середине XXI в. Та­ковой является программа исследования космоса. Объединение уси­лий научных коллективов разных стран мира для исследования, как ближайшего космоса, так и отдаленных уголков Вселенной привело в результате реализации этой программы к созданию международных космических станций, использованию па них новейшего оборудова­ния и т. д.

К таким программам относится также грандиозная по замыслу, а также, но объемам денежных вложений международная программа «Геном человека», целью которой является расшифровка генного кода человека (и не только человека: параллельно развиваются программы «Геномы животных»). Успешно реализуются международные экологи­ческие программы, международные программы мониторинга объектов окружающей среды и т. д. Вот далеко не полный перечень успешных научных проектов, начатых в прошлом веке, в которые были вовлече­ны ученые разных стран.

Следует, однако, отметить, что деловые круги различных стран ми­ра, вкладывающие средства в реализацию научных программ, интере­сует не столько идея объединения ученых, сколько борьба за техниче­ское лидерство в наиболее доходных отраслях промышленности, та­ких как компьютерная техника, системы связи, автомобилестроение, авиационная, медицинская и фармацевтическая промышленности. При­мером сплава пауки и техники является интереснейшая и перспективнейшая научная программа, впечатляющие достижения которой удив­ляли мир в последние два десятилетия XX в. и которая, по мнению многих ученых, приведет к следующей промышленной революции. В названии этой программы отражен ее прикладной характер. Она на­зывается «Развитие нанотехнологий».

Что же это такое — нанотехнологии?

Название нового направления в пауке возникло просто в результа­те добавления к общему понятию «технология» приставки «нано». «Нано», так же как и «милли», и «микро», — приставки к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ, причем в сторону уменьшения линейных размеров: на­пример, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = = 10³ м), 1 микрометр (другое название — микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10⁶ м), а 1 нанометр (им) означает одну миллиардную долю метра (1 им = 10 ° м).

Для наглядности можно указать, что 1 им составляет одну милли­онную долю миллиметра (представим себе любой измеритель длины с делениями — линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если счита­ется, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины. Или еще можно ска­зать так: величины, измеряемые в нанометрах, на 9 порядков меньше величин, сравнимых по размерам с человеческим телом.

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с харак­терной длиной от 1 до 100 им. Верхняя граница нанообласти соответ­ствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших ин­тегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 им и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом инте­ресно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 им.

Для понятия «нанотехнология», пожалуй, не существует исчерпы­вающего определения, но по аналогии с существующими ныне микро­технологиямиследует, что нанотехнологии, оперирующие величина­ми порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объек­тами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъ­екты, перемещать их в пространстве, закреплять их па поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.

В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, величиной примерно со среднюю молекулу; разработка и изготовле­ние наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего. Именно поэтому они представляются весьма перспек­тивными для получения новых конструкционных материалов, полу­проводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т. д. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.

Из сказанного ясно, что нанотехнологии объединяют все связан­ные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках. Тем са­мым подчеркивается междисциплинарный характер нового направле­ния в естествознании. Наряду с другими междисциплинарными научными направлениями в естествознании — синергетикой, кибернети­кой, системным методом — развитие нанотехнологий является очень ценным научным наследием XX в., неким связующим звеном, обеспе­чивающим преемственность научных направлений в современном ес­тествознании.

По мнению многих источников по истории естествознания, начало нанонауки положил в 1959 г. знаменитый американский физик, лауре­ат Нобелевской премии Ричард Ф. Фейнман при прочтении лекции под названием «Внизу полным-полно места». В ней впервые была рас­смотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, от­дельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек мани­пулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке.

В 1986 г. американский физик Эрик К. Дрекслер в своей известной книге «Машины творения» предложил создавать устройства, назван­ные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные воз­можности, связанные с развитием нанотехнологии. Начиная с 1980 г. в технологии производства транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусственно создаваемые пленки толщиной около 10 им, что позволяло изготавливать устройства с новыми, повышен­ными техническими характеристиками. В 1980 г. в Японии был изго­товлен первый полевой транзистор с высокой подвижностью носите­лей (High Electron Mobility Transisteor, HEMT).

В 1981 г. сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннель­ный микроскоп (СТМ), позволявший получать изображение с разре­шением на уровне размеров отдельных атомов. Это явилось исключи­тельно важным научным достижением, поскольку исследователи впер­вые получили возможность непосредственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном масштабе. Как работает СТМ? Экспери­ментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) па рас­стояние около 1 мкм к поверхности исследуемого образца, в результа­те чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, вели­чина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой по­верхности (например, из-за наличия па поверхности впадин или вы­ступов). Меняя величину туннельного тока или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирования потенциала зонда), эксперимента­тор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изобра­жение», подобно тому как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность экрана обычного телевизора. Этот метод позволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (напри­мер, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изме­нению поверхности в определенных условиях, и т. п.).

Работая со сканирующим микроскопом описываемого типа, экспе­риментаторы неожиданно вышли па следующий этан развития, а имен­но стали проводить прямые технологические операции па атомарном уровне. Прикладывая к зонду СТМ соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать в США со­трудникам Армаденской лаборатории 1MB под руководством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы из 35 атомов ксенона. Это стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текста». Позднее, в 1991 г., из этого выросла методика перемещения атомов ксенона вверх-вниз (относительно поверхности монокристалла), названная атомным пе­реключением (atomic switch). В целом описанная техника создает мно­го возможностей как для манипуляций на уровне отдельных атомов, так и для изучения их структур и поведения.

Японские фирмы и научные организации в свою очередь начали энергично развивать методики в области микроскопии, в результате чего за короткое время были созданы новые типы сканирующих тун­нельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень вы­соким разрешением (разрешением оптического прибора физики на­зывают размер наименьшей детали, которую можно выделить па полу­чаемом изображении), позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию эксперимен­тальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило представления ученых о микромире и нанообъектах.

В 1990 г. началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 млрд нуклеотидных остатков в записи генетической информации — проекта «Ге­ном человека», ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для раз­вития нанотехнологий, поскольку открывает новые огромные возмож­ности в информационных технологиях, позволяя попять, а затем и ис­пользовать принципы обработки информации в живой природе (биоинформатика). В 1991 г. в Японии начала осуществляться первая государственная программа по развитию техники манипулирования атомами имолекулами (проект «Атомная технология»), которая при­влекла внимание исследователей во многих странах мира. Это ознаме­новало новый этап в развитии нанонауки и нанотехнологий: государ­ство стало поддерживать направление, признав его приоритетность не только для национальной пауки, но идля государства в целом.

В настоящее время нанотехнологии все больше и больше входят в пашу жизнь. Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально науровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденным делом. Реальный пример — DVD-диски, производст­во которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны впромышленных устройствах очистки пить­евой воды и получении сверхчистой воды, так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в техно­логии получения полупроводников, которые эффективнееизвестных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

♦ «нанотрубки» и «нанонити» («нановолокна»), состоящие из 60-70 молекул, как повое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

♦ нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

♦ атомная игла — сверхтонкая игла, сужающаяся па острие едва лине до единственного атома, которая как атомный щуп изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

♦ нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

♦ наногеператоры электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

♦ сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

♦ диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

♦ наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени,но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

♦ нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов (то есть чужеродных веществ) по иммунной реакции;

♦ наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы —

иэто далеко не полный перечень использования нанотехнологий в мире XXI в.

Что-то из вышеперечисленного уже становится реальностью «на глазах», поскольку скорость технического прогресса в современном мире огромна; что-то еще находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу.

А потенциальные возможности нанотехнологий поистине не знают границ. Хотелось бы особо подчеркнуть, что мы пока не можем, конечно, оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом, но количество научных иссле­дований и затраты па них будут расти с каждым годом, учитывая пер­спективность тематики. Исследования в данном направлении все вре­мя расширяются. В 2004 г. человечество истратило на нанотехнологии $ 8,6 млрд. Причем больше половины — $ 4,6 млрд — это расходы пра­вительственных организаций разных стран.

В связи с этим необходимо отметить государственное участие в про­ектах по нанотехнологиям. Япония и США начиная с 90-х гг. XX в. тратят на государственную поддержку нанопроектов миллиарды дол­ларов; существует Объединенный комитет Евросоюза но нанотехнологиям, который также с этого времени активно финансирует разви­тие нанотехнологий как одно из самых приоритетных направлений. Не остается в стороне и Россия, которая вступила в борьбу за мировое лидерство в области развития нанотехнологий. Некоторое запоздание России в области развития нанотехнологий имеет исторические причи­ны. То, что отставание в этой области может повлечь неконкурентоспособность России в различных областях техники и промышленно­сти, в которых растет удельный вес нанотехнологий, и, как следствие, отставание в экономическом развитии в целом, понимают в России на высшем государственном уровне.

Ниже приводится выдержка из выступления президента Россий­ской Федерации В. В. Путина перед Федеральным собранием 26 апреля 2007 г.:

Перед нами стоит задача формирования научно-технологического потенциала, адекватного современным вызовам мирового технологического развития. И в этой связи хочу особо подчеркнуть необходимость создания эф­фективной системы исследований и разработок в области нанотехнологий, основанных на атомном и молекулярном конструировании.

Сегодня для большинства людей «нанотехнологии» — это такая же абстракция, как и ядерные технологии в 30-е гг. прошлого века. Однако нанотехнологии уже становятся ключевым направлением развития современ­ной промышленности и науки. На их основе, в долгосрочной перспективе, мы в состоянии обеспечить повышение качества жизни наших людей, на­циональную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста. Оценки ученых говорят о том, что изделия с применением нанотехнологий войдут в жизнь каждого — без преувеличения — человека, позво­лят сэкономить невозобновляемые природные ресурсы.

Учитывая масштабность и уникальность российского проекта по нанотехнологиям, президент призвал страны СНГ принять участие в этом объединяющем взаимовыгодном и направленном в будущее деле. Придание проекту статуса международного повысит интерес к этому проекту и будет способствовать распространению достоверной и по­зитивной информации об этом очень непростом для понимания, но чрезвычайно перспективном направлении развития не только отече­ственной пауки, по и человечества в целом.

Особые задачи стоят перед педагогами российских школ и высших учебных заведений. Настала необходимость для разработки новых про­грамм по курсу концепций современного естествознания, включаю­щих нанонауку и нанотехнологии как неотъемлемое междисципли­нарное направление современного естествознания; в этих программах особенное внимание следует уделить углубленному изучению проблем микромира, с тем чтобы достижения нанотехнологий были понятны специалистам гуманитарного профиля.

В заключение приведем «наноцитату».

«Следующая промышленная революция» —

данная фраза была отпечатана па поверхности, площадь которой мень­ше площади сечения человеческого волоса, буквами шириной 50 нано­метров.

Дата добавления: 2014-01-06