Нанотехнологии – ключевой приоритет обозримого будущего

Еще 70 лет назад российский физик-теоретик Георгий Гамов впервые получил решение уравнений Шредингера, описывающее возможность преодоления частицей энергетического барьера в случае, когда ее энергия меньше его высоты. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, составляющих основу атомной науки и техники, в том числе нанотехнологий. По мнению многих ученых, грандиозные результаты работ Г.Гамова, ставших основополагающими для многих наук, следовало бы отметить несколькими Нобелевскими премиями.

Развитие электроники привело к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя, в середине 50-х годов, когда появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л.Есаки, ставшим Нобелевским лауреатом. Еще через 5 лет Юрий Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований в московском НИИ “Пульсар”, предложил первые расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. В середине 70-х годов они были успешно реализованы.

Однако отцом нанотехнологий считают американского физика Ричарда Фейнмана, высказавшего в 1959 г. мысль, что “принципы физики… не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атомов”. Конечно, подобные идеи существовали и ранее, но среди ученых такого уровня (в 1965 г. Р.Фейнману присуждена Нобелевская премия) он был первым, кто указал на это. Лекция, в которой прозвучала приведенная цитата, посвящалась миру тонких материй и называлась “Там внизу много места”1. В ней говорилось о таких во многом и сегодня фантастичных применениях нанотехнологий, как изготовление веществ физиком по заказу химика с помощью перемещения отдельных атомов на “нужные” позиции. Однако уровень развития науки и техники 50-х годов не позволял обсуждать всерьез возможное целенаправленное влияние на отдельные атомы.

Перелом наступил после изобретения в 1981 г. Г.Бинингом и Г.Рорером, учеными из швейцарского отделения IBM, сканирующего туннельного микроскопа – прибора, дающего возможность воздействовать на вещество на атомарном уровне. В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий в отличие от туннельного, осуществлять взаимодействие не только с проводящими, но с любыми материалами2. При помощи туннельного микроскопа стало возможным “подцепить” атом и поместить его в нужное место, т.е. манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любой предмет, любое вещество. С 1994 г. начинается применение нанотехнологических методов в промышленности.

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией.

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 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.Коваева.

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 высоконагруженных 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 имплантатов.

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 корпорацией производятся 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.

Основные направления развития нанотехнологий

Можно выделить три направления, тесно связанные между собой:
• изготовление электронных схем (в том числе объемных) с активными элементами, чьи размеры сравнимы с размерами единичных молекул или атомов;
• разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов роботов величиной с молекулу, использование которых открывает перед человечеством невиданные перспективы;
• непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всевозможных материалов (как здание собирается из кирпичей). Эта задача в свою очередь распадается на две концепции. Первая –перестройка имеющихся структур (например, перестроив порядок атомов в угле, можно изготовить алмаз). Вторая – сборка большего из меньшего (так, используя молекулы воды и углекислого газа, можно изготовить из них сахар или крахмал, как это делают растения).

Все это постепенно входит в жизнь. В некоторых областях промышленности нанотехнологический контроль изделий и материалов (буквально на уровне единичных атомов) стал обыденным. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.

В ближайшей перспективе нанотехнологии начнут, по-видимому, применяться и в производстве интегральных схем. Существующие способы осаждения примесей в полупроводник (эпитаксии) по литографическим шаблонам практически приблизились к своему технологическому пределу. Дело не только в размерах элементов – определенная возможность их уменьшения еще существует, а в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры (когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости). Это накладывает существенные ограничения на схемотехнику – наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по подобной технологии (в частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды). В то же время активно развиваются нанотехнологические методы, дающие возможность создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные (трехмерные) схемы. Очевидно, именно микроэлектроника станет первой отраслью, где “атомная сборка” осуществится в промышленных масштабах.

Что касается наномашин, то они способны коренным образом изменить среду обитания человека. В 1992 г. Эрик Дрекслер3, один из идеологов нанотехнологий, нарисовал картину обозримого будущего. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и многие другие стоящие перед человечеством глобальные проблемы. Ключом к этому станут крошечные машины размером с молекулу, обладающие способностью к самовоспроизведению. Используя в качестве строительного материала атомы, они смогут производить все необходимое с недостижимой ранее эффективностью.

В основе разработки наномашин лежит простая идея. Хотя средства для манипуляций отдельными атомами имеются и сейчас, вряд ли их можно “напрямую” применить для того, чтобы собрать что-то конкретное для практического использования, хотя бы из-за количества атомов, которые придется “монтировать”. Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, способные при помощи управляющих сигналов извне (акустических, электромагнитных и пр.) манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те в свою очередь смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. В конечном итоге этот экспоненциальный процесс приведет к проектированию молекулярных роботов – механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В разработке таких нанокомпьютеров нет ничего фантастического, активные электронные элементы подобных размеров уже получены в лабораторных условиях.

В результате мир коренным образом преобразится. Практически все необходимое для жизнедеятельности человека может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды (продукты питания – из почвы и воздуха, как их производят растения, кремниевые микросхемы – из песка). Очевидно, что подобное производство будет значительно более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство. Необходимо лишь снабдить наномашины сырьем и энергией, а все остальное они сделают сами (хотя в принципе ничто не мешает наномашинам самим добывать и сырье и энергию). Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, где не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду.

Сложность изготовления наномашин отнюдь не является основным фактором, сдерживающим их развитие. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. Главная трудность в том, что для сборки такой машины надо сначала ее сконструировать, разработать. Расчет такой конструкции настолько трудоемок и сложен, что для его осуществления не хватает даже мощности современных суперкомпьютеров. Однако, учитывая темпы развития вычислительной техники, очевидно, что появление молекулярных роботов – вопрос лишь десятилетий.

Оптимисты и пессимисты, предсказывая, когда при помощи молекулярных роботов удастся поставить барьер на пути болезней и старения человека, расходятся в своих оценках незначительно. По разным прогнозам, это произойдет во второй или третьей четверти XXI в.

Возможные последствия развития нанотехнологий – коренное преобразование практически всех отраслей науки и техники.

В электронике ожидается создание сверхбыстродействующих компьютеров не только с обычными архитектурами, но и нейрокомпьютеров, сверхбыстродействующих функциональных устройств с рекордной производительностью. В оптоэлектронике будут синтезированы давно ожидаемые излучатели с перестраиваемым спектром и широкополосные фотоприемники с высокими КПД. Кардинальные изменения произойдут в медицине с реализацией возможностей генной инженерии, созданием эффективных молекулярных диагностических устройств и соответствующих биосинтезаторов. Радикально преобразуется химическая индустрия, предприятия которой превратятся из гигантов в практически персональные синтезаторы.

Что касается точных сроков начала реализации нанотехнологий в повседневной практике, то в ведущих лабораториях мира отдельные наноэлектронные элементы существуют уже сейчас, а более широкое применение, по оценкам специалистов, придется уже на первую четверь XXI в.4 Нанотехнология станет основой значительных эволюционных изменений, многие из которых будут настолько качественно отличаться от сегодняшнего мира, что в настоящее время их просто невозможно описать.

Возможные перспективы

Если представить в общем виде прогнозируемые на XXI в. перспективы развития нанотехнологий, то в отдельных областях они выглядят следующим образом5.

В промышленности на смену традиционным методам производства придет сборка молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул, вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые результаты могут быть получены уже в начале ХХI в.

В сельском хозяйстве осуществится 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” удалят все лишние звенья, т.е. останется “почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо и т.д.)”. Подобное “сельское хозяйство” не будет зависеть от погодных условий и нуждаться в тяжелом физическом труде, а его производительность позволит навсегда решить продовольственную проблему. По разным оценкам, первые такие комплексы могут быть созданы в середине ХХI в.

В кибернетике в первой половине XXI в. произойдет переход от планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшатся 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.

Освоению космоса “обычным” порядком по-видимому будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромную армию роботов-молекул выпустят в околоземное космическое пространство, и она подготовит его для заселения людьми, (т.е. сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты), а также соорудит из “подручных материалов” (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

В сфере экологии в середине XXI в. полностью устранится вредное влияние деятельности человека на окружающую среду, во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы этой деятельности в исходное сырье, во-вторых, в результате перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

В медицине в первой половине XXI в. будут созданы молекулярные роботы-врачи, “живущие” внутри человеческого организма и предотвращающие или устраняющие возникающие повреждения (включая генетические).

В области геронтологии считается достижимым во второй половине XXI в. бессмертие людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также за счет перестройки и “облагораживания” тканей человеческого организма. Произойдет оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в свое время методами крионики.

В биологии в середине XXI в. станет возможным “внедрение” в живой организм на уровне атомов, что приведет к различным последствиям – от “восстановления” вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Наконец, за счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды во второй половине XXI в. она станет “разумной” и комфортной для человека.

БОРИС ЧУМАЧЕНКО
академик, генеральный директор Международного центра трансфера технологий
КОНСТАНТИН ЛАВРОВ
заведующий лабораторией
Международный научно-исследовательский институт проблем управления

Источник:
Evgeny Pastukhov's ЖЖ