Нанотехнологии

Нанотехнологии и наноматериалы

Учитывая то, что технологии и материалы играли значительную роль в развитии цивилизации и выполняли не только узкопроизводственные, но и социальные функции ученые давали большим промежуткам времени существования человечества соответствующие названия (каменный век, бронзовый век, железный век, эра электричества и т. д.). В этой связи многие эксперты считают, что двадцать первому столетию суждено носить название «века нанонауки и нанотехнологий».

Нанонауку можно определить как совокупность знаний об особенностях поведения вещества в нанометрическом масштабе размеров, а нанотехнологии — как искусство создавать и оперировать объектами с размерами в диапазоне от долей до сотен нанометров (хотя бы в одном или трех измерениях).

Приставка «нано» означает одну миллиардную. Один 1 нанометр (сокращенно 1 нм) равен 1/1 000 000 000 метра. Один миллиметр (минимальная величина, используя которую люди привыкли оценивать размеры окружающих их предметов) в миллион раз больше нанометра. Наименьшие элементы, которые способен разглядеть невооруженный человеческий глаз, составляют 10 000 нм. Толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нм. Один нанометр — это ряд из десяти атомов водорода (к примеру, многие вирусы имеют размер 10 нм). Следует отметить, что характерный размер многих белковых молекул составляет примерно 1 нм, а все то, что меньше нанометра — это просто свободный атом или небольшая молекула.

Нанотехнологии и наноматериалы

В настоящее время сложилась ситуация, когда между макроуровнем, где действуют хорошо разработанные теории сплошных сред и инженерные методы расчета и конструирования, и атомарным, подчиненным законам квантовой механики, находится обширный малоисследованный мезоиерархический (mesos (греч.) — средний, промежуточный) уровень структуры материи. На этом уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, РНК, белков, ферментов, субклеточных структур, требующие более глубокого изучения и понимания. Вместе с тем здесь могут быть искусственно созданы новые продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества. При этом не потребуется больших затрат сырья и энергии (как и средств для транспортировки), уменьшится количество отходов и загрязнение окружающей среды, труд станет более интеллектуальным и здоровым.

Причиной поисков возможностей изучить закономерности процессов, происходящих в наноскопическом диапазоне, и управлять ими — является уникальность именно этого диапазона размеров. Таким образом, наноструктуры не просто меньше всего того, что человек делал раньше, а наименьшие твердые материалы, которые можно сделать. Наномасштаб уникален еще и потому, что в этом масштабе размеров привычные и стабильные значения свойств материалов (температура плавления, твердость, проводимость и другие) нестабильны или не соответствуют общепринятым. Это связано с тем, что в наномире свойства материалов во многом определяются воздействием характеристик атомов и молекул (корпускулярно-волновой дуализм, квантовые эффекты и др.). Например, закон Ома, являющийся основой современной электроники, связывает силу тока, напряжение и сопротивление, но он действителен, если электроны «текут» по проводу, как вода в реке, чего они (электроны) не смогут сделать, если провод имеет в ширину один атом и электроны должны проходить его по одному. Такая связь размера с наиболее фундаментальными химическими, электрическими и физическими свойствами материалов является ключевой для всех наноструктур.

Хорошее определение нанонауки и нанотехнологии приводится в выпущенном в 2001 г. документе Национального научного фонда США. Согласно этому определению один нанометр — это магическая точка на шкале размеров. Наноструктуры находятся на слиянии наименьших из сделанных человеком устройств и наибольших молекул живых организмов. Наукой и технологией в наномасштабе называется фундаментальное понимание и получаемые вследствие него технологические преимущества, возникающие при использовании новых физических, химических и биологических свойств систем, промежуточных по размеру между отдельными атомами и молекулами и массивными материалами, где можно контролировать свойства, промежуточные между двумя граничными состояниями.

Следует отметить, что и до наступления эры нанотехнологий человек использовал объекты и процессы на наноуровне. Например, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотографических изображений, катализ в химическом производстве, бродильные процессы при изготовлении вина, сыра, хлеба и т. д. происходят на наноуровне. Так, в состав противозагарного крема, выпущенного в 80-х годах ХХ века, входили наночастицы ТiO2, рассеивающие ультрафиолетовое излучение Солнца. Рассеяние излучения происходило потому, что размеры частиц не превышали 400 нм, то есть длины волн этих лучей.

Если взять кубик золота с размером грани 10 см и распилить его на восемь частей, а каждую полученную часть кубика опять делить на восемь частей, то каждый раз будут получаться кусочки кубика, которые имеют желтый цвет. Но если размер получаемых кусочков приблизится к наноразмерам, то цвет кусочков золота станет меняться (от зеленого, красного, оранжевого до пурпурного). Крошечные золотые наноструктуры, полученные таким образом, иногда называют квантовыми точками или наноточками. Если эти частички вновь соединить, то они опять станут желтого цвета.

Цвет многих витражных стекол средневековых церквей был получен диспергированием в стекольной массе наночастичек. Таким образом, можно предположить, что средневековые стеклодувы были одними из первых нанотехнологов. Очевидно, что стеклодувы не понимали, почему золото меняет цвет. Однако развившаяся стихийно «интуитивная нанотехнология» без должного понимания природы используемых объектов и процессов не может быть надежной основой в будущем. Поэтому первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Ожидается, что нанотехнологии смогут заменить некоторую часть морально устаревших и неэффективных технологий, но все-таки ее «законное» место находится в новых областях, где традиционными методами достигнуть требуемых результатов невозможно в принципе.

Для осознанного манипулирования нанообъектами необходимы наблюдения за этими объектами и их измерение (т. е. соответствующие приборы), а также технологии, позволяющие получать наноструктуры и перемещать их.

Для наблюдения мельчайших объектов в конце ХІХ века был изобретен оптический микроскоп. Но минимальные наблюдаемые в нем объекты не могли быть меньше длины волны излучаемого света, диапазон которой соответствует примерно 400 нм, а разрешающая способность ограничена половиной этой величины и составляла около 200 нм. В 40-е годы ХХ века в связи с развитием теории волновой природы электрона был создан электронный микроскоп. Электронные микроскопы делятся на сканирующие (СЭМ) и просвечивающие (ПЭМ). В 70…80-е гг. ХХ века были созданы сканирующие туннельные микроскопы (СТМ), атомарно-силовые микроскопы (АСМ) и реализована идея сканирующего оптического микроскопа ближнего поля (СОМБП) с разрешающей способностью до 20 нм. Разрешающая способность современных ПЭМ составляет около 0,2 нм, СЭМ — около 0,5 нм, а микроскопы СТМ позволяют изучать объекты размером 0,1 нм.

Микроскопы СТМ, АСМ и СОМБП относятся к сканирующим зондовым микроскопам, характерной особенностью которых является то, что они сканируют поверхность исследуемого образца с помощью зонда в виде крошечной металлической иглы. Кроме наблюдения объектов, зондовые микроскопы стали использовать для обработки поверхностей и для целенаправленной манипуляции отдельными атомами и молекулами (рис. 7). Зонд АСМ можно использовать в качестве «пера», на кончике которого вместо чернил находятся атомы или молекулы. Нанолитография с помощью такой «ручки» позволяет строить на поверхности вещества сложные структуры.

Следует отметить, что нанолитография с использованием зондов сканирующих микроскопов, когда нанообъекты (в том числе атомы и молекулы) подталкивают или перемещают, поднимая их на зонд, эффективна для создания новых и сложных структур в малых объемах, но она пока еще достаточно дорога и медлительна.

Молекулярный синтез, т. е. производство молекул с конкретными молекулярными структурами является одной из наиболее распространенных отраслей химии. Молекулярный синтез включает создание специфических молекул для специальных или научных целей. Применяется он при производстве медикаментов и множество современных лекарств (пенициллин, виагра и другие), которые являются продуктами сложного химического синтеза.

Следующим шагом в развитии технологий формирования синтезированных молекул является производство наноструктур с определенными геометрическими формами в указанных местах поверхности. Так, при использовании лекарственных препаратов важен путь их попадания к месту воздействия. Для доставки препарата к месту его непосредственного воздействия на организм препарат нужно поместить в молекулярную оболочку. При этом между лекарством и оболочкой не должно быть химической связи. Такая форма лекарственных препаратов позволит проникать им в такие части тела, куда проникнуть раньше эти препараты не могли.

Атомарный дизайн, выполненный в сканирующем микроскопе

Рис. 7. Атомарный дизайн, выполненный в сканирующем микроскопеа — «пляшущий человечек», выложенный молекулами монооксида углерода; б — иероглифы, выложенные атомами железа на поверхности меди; в — поатомная сборка «квантового загона» для электрона, состоящая из 48 атомов железа на поверхности кремния, выполненная методом атомарного дизайна в SPM; г — в собранном «загоне» видны стоячие волны электронной плотности захваченного ловушкой электрона

Следует отметить, что вся техника для производства наноструктур, включающая манипуляцию отдельными атомами, действует слишком медленно и является громоздкой. Это особенно неудобно, когда нужно создать большую массу материала. Проблема большинства технологий при сборке наноструктур в настоящее время заключается в том, что они очень напоминают ручной труд.

Существующую сейчас технологическую парадигму (парадигма — теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существенные черты действительности) в обработке вещества условно можно называть технологиями «сверху–вниз».

Подход «сверху–вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой для получения деталей или других объектов. Таким же образом в настоящее время получают и объекты с ультрамикроскопическими, нанометровыми параметрами. К примеру, можно указать некоторые полупроводниковые устройства, структура которых создается фотолитографической обработкой. При фотолитографии полупроводниковая заготовка подвергается обработке

лазерным лучом, что позволяет получить в заготовке заранее спланированную конфигурацию схемы. Разрешающая способность (т. е. минимальный размер элементов изготавливаемой схемы) определяется при этом длиной волны лазерного излучения. В настоящее время самые короткие длины такого излучения позволяют осуществлять микрообработку с точностью до 100 нм, но эта технология является сложной и требует дорогого оборудования, из-за чего она малопригодна для организации эффективного крупномасштабного производства.

Сущность технологии «снизу–вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т. п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать «обратным» по отношению к традиционному методу миниатюризации (подходу «сверху–вниз»), когда просто уменьшают размеры деталей.

Примером подхода «снизу–вверх» может служить метод поштучной укладки атомов на кристаллической поверхности при помощи сканирующего туннельного микроскопа или других устройств этого типа (рис. 8).

Метод позволяет наносить друг на друга не только отдельные атомы, но и слои атомов. Следует отметить, что в настоящее время описываемый подход похож на ручную сборку и характеризуется очень малой эффективностью и низкой производительностью, но ему принадлежит будущее.

Две технологические парадигмы

Рис. 8. Две технологические парадигмы

В природе у живых организмов биологические клетки образуются в результате деления (митоза). С точки зрения предлагаемого подхода интересно рассмотреть то, в какой степени и как атомы способны «самостоятельно» объединяться в более сложные вещества.

Следует отметить, что сборка «снизу–вверх» (самоорганизация вещества) является довольно распространенным явлением, а разнообразные взаимодействия атомов и молекул способны приводить к образованию высокоупорядоченных соединений из исходных гомогенных смесей. Примером являются живые организмы, способные усваивать «мертвые» клетки других организмов и перерабатывать их в новые «живые» клетки.

В живых организмах существуют различные клеточные структуры в виде нанотрубок, кристаллов и т. п. Образование таких структур не может протекать «сверху–вниз» и связано с процессами самоорганизации. Структурирование и сборка биологических тканей происходят на атомарно-молекулярном уровне, причем живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Это означает, что низкая эффективность существующих процессов «снизувверх» свидетельствует лишь о недостаточном техническом мастерстве и может быть преодолена.

Одним из путей решения проблемы производства значительного количества наноструктурированных материалов является создание технологии, при осуществлении которой, смешав химикаты и позволив молекулам «рассортировать себя», можно было бы получить требуемые наноструктуры за короткое время. Такой метод их получения называется самосборкой и основывается на том, что молекулы стремятся перейти на самый нижний уровень из доступных для них уровней энергии. Множество молекул с одинаковым нижним уровнем энергии, собравшись вместе, естественно организуют себя. Силы, задействованные в самосборке, обычно слабее связывающих сил, задействованных вместе, и соответствуют более слабым аспектам кулоновского взаимодействия. Эти силы используются в природе повсеместно.

Например, слабые взаимодействия, называемые водородной связью, связывают атом водорода в одной молекуле жидкой воды с атомом кислорода другой и не позволяют молекулам стать водяным паром при комнатной температуре. Водородные связи также помогают удержать белки в определенной трехмерной структуре, что необходимо для выполнения их биологических функций. Существуют и другие слабые взаимодействия, включая гидрофобные взаимодействия, позволяющие маслу (нефти) разливаться по поверхности воды.

Мультиполярные взаимодействия возникают между структурами, каждая из которых не имеет полного заряда (что не похоже на электронное взаимодействие с другим электроном, которое является сильным кулоновским взаимодействием). Однако здесь наблюдается иное распределение по двум взаимодействующим молекулам. Такие обычно слабые мультиполярные взаимодействия достаточно сильны, чтобы создавать очень сложные структуры. При самосборке наноструктор определенные атомы или молекулы вводят на поверхность или ранее собранную наноструктуру. Затем молекулы выравнивают себя в определенных положениях, иногда формируя слабые связи, а иногда — сильные ковалентные связи, минимизируя общую энергию.

В будущем самосборка может стать предпочтительным методом создания больших наноструктурных массивов.

Еще одной разновидностью самосборки является наноскопическое выращивание кристаллов (рис. 9). Длинная палочка собирается из небольших молекулярных компонентов, а затем самосборкой формируется каркас.

Самособирающийся молекулярный шаблон искусственной кости

Рис. 9. Самособирающийся молекулярный шаблон искусственной кости

Полимеризация является широко используемой схемой для получения наноразмерных материалов. Эта технология используется для получения структур ДНК, белков (например, инсулина) и др.

Ученые, занимающиеся наноматериалами, обнаружили и научились получать материалы с уникальными свойствами. Одним из таких материалов являются наноконструкции на основе углерода.

Углерод является основой жизни на земле и существует в твердой фазе в нескольких модификациях, свойства которых резко отличаются (графит, алмаз, карбин, лонсдейлит). Следует отметить, что карбин и лонсдейлит были получены искусственно, но последний был обнаружен и в метеоритах. Важная особенность углерода (способность образовывать цепочки –С–С–С–) используется человеком для создания синтетических полимеров и разнообразных пластмасс (в природе эта способность приводит к образованию биополимеров).

В 1985 г. было установлено, что в масс-спектрах паров графита, полученных его испарением под лазерным пучком, имеются ряд интенсивных пиков, отвечающих кластерам или многоатомным молекулам углерода.

Наиболее стабильными из них оказались C60 и С70. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй — регбийного мяча (рис. 10).

Структура фуллереновых молекул С60 и С70

Рис. 10. Структура фуллереновых молекул С60 (а) и С70 (б)

Впоследствии их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений.

Шарообразные (или в форме дыни) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Сфера образуется шестиугольными структурными формированиями атомов углерода. Все ковалентные связи в этих молекулах насыщены и между собой они могут взаимодействовать только слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. При этом последних достаточно для того, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы (рис. 11) и, таким образом, придать ей гидрофильные или гидрофобные свойства. Можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы как в сверхпрочный контейнер. Раскрыв внутренние связи высоким давлением, интенсивным освещением и т. п., можно соединить две фуллереновые молекулы в димер или полимеризовать исходную структуру мономеров. Кроме того, поместив в водорастворимый фуллерен молекулу газа или другого вещества, можно получить растворы из нерастворимых веществ.

Схема химического строения водорастворимого фуллерена

Рис. 11. Схема химического строения водорастворимого фуллерена

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки (рис. 12).

Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок

Рис. 12. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубока — «русская матрешка»; б — свисток; в — атомарная структура закрытой с торца однослойной нанотрубки

Они представляют часть сетки с шестиугольной (как у фуллеронов) ячейкой, свернутой в трубку. На рисунке 6.13 приведены изоббражения нанотрубок.

Электронные фотографии нанотрубок

Рис. 13. Электронные фотографии нанотрубок

Следует отметить (и это очень важно), что свойствами нанотрубок можно управлять, изменяя их хиральность, т. е. скрученность решетки относительно продольной оси. При этом нанатрубки обладают необычными электрическими свойствами. Так, было установлено, что электроны могут проноситься по нанотрубке, как по проводнику. Кроме того, было обнаружено, что она может проводить электричество без сопротивления (т. е. являться сверхпроводником); а вводя другие элементы (кроме углерода) можно придать нанотрубке свойства полупроводника. При этом можно получить проволоку нанометрового диаметра, как с металлическим типом проводимости, так и с заданной запрещенной зоной. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Подобные устройства уже созданы и показали свою работоспособность.

Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром являются основой для создания идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов и т. п. Например, для значительного повышения эффективности углеводородного топлива необходимо добиться способности углерода аккумулировать около 6,5 % водорода (по массе). Лабораторные исследования показали, что углеродные нанотрубки обладают высокой аккумулирующей способностью по отношению к газообразному водороду. На их базе можно создать эффективные топливные элементы для транспортных средств или изолированных источников энергии небольших размеров.

Нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки для сканирующих зондовых инструментов, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения и т. д.

Кроме электрических свойств нанотрубки обладают и другими удивительными свойствами (например, предел прочности нанотубки при растяжении может в 60 раз превышать предел прочности качественной стали). При этом некоторые ученые считают, что нанотрубку можно растянуть на большое расстояние (от поверхности Земли до стратосферы) и эта трубка выдержит собственный вес.

Нанотрубки становятся тем материалом, который востребован в различных областях человеческой деятельности, но пока удовлетворить спрос на этот материал не представляется возможным (даже крупные производители нанотрубок за неделю изготавливают их в количествах, измеряемых в граммах).

Свойства наноструктур зависят от размера частиц и при переходе к макромасштабу и укрупнению наночастиц уникальные свойства наноструктур меняются. Поэтому разработчики новых наноматериалов используют различные способы изоляции нанообъемов в материале (матричная изоляция, использование пористости и другие приемы).

Классификация строения мезоструктуры наноконструрированных материалов приведена на рисунке 14.

Классификация по Глейтеру нанокристаллических материалов

Рис. 14. Классификация по Глейтеру нанокристаллических материалов, учитывающая состав, распределение и форму структурных составляющих

Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные конструкционные и функциональные материалы (магнитомягкие и магнитотвердые материалы); нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы); негорючие нанокомпозитные материалы на полимерной основе; топливные элементы; электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии; биосовместимые материалы для трансплантации; лекарственные препараты.

Наиболее крупнотоннажным является производство конструкционных материалов (после строительных), главным образом, металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделия в значительной мере зависят от механических свойств этих материалов (упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др.).

Конструкционные материалы, созданные на основе известных ранее наноструктур, обладают уникальными свойствами. У наноструктурированных металлических материалов модуль упругости на 30 % ниже, твердость в 2…7 раз выше, а предел упругости в 1,5…8 раз выше, чем у мелкокристаллических аналогов.

Нанокристаллические порошки имеют огромную удельную поверхность, которая составляет от 20…40 м2/г (при диаметре частиц 100нм) и до 110…120 м2/г (при диаметре 10 нм). Это будет способствовать использованию нанопорошков и материалов из них в качестве катализаторов и адсорбирующих веществ.

Основные методы получения наноструктурированных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные методы получения наноструктурированных материалов

Группа методовОсновные разновидности
Компактирование порошковМетод Глейтера (газофазное осаждение и компактирование).

Прессование и спекание. Электроразрядное спекание

Интенсивная пластическая деформацияРавноканальное угловое прессование.

Фазовый наклеп.

Деформация кручением в условиях высокого давления

Контролируемая кристаллизация и полимеризацияОбычные и высокие давления, однофазные, многофазные и композитные материалы
Пленочные технологииХимическое осаждение из газовой фазы (CVD).

Физическое осаждение из газовой фазы (PVD).

Электроосаждение.

Ионно-лучевая имплантация. Термическое разложение

Следует отметить, что прочность материалов определяется химическим составом и характером структуры, под которым понимается наличие определенной кристаллической решетки (или ее отсутствие) и весь спектр дефектов структуры.

Добиваться высоких прочностных показателей можно двумя способами: снижая концентрацию дефектов структуры (приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или увеличивая эту концентрацию вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба способа широко используются в современном физическом материаловедении и производстве.

Большие перспективы имеют нанокомпозиты на полимерной основе. В полимерные матрицы можно вводить наночастицы металлов, сплавов, оксидов, карбидов и других веществ в концентрациях до 50 % (по массе). В результате этого они приобретают уникальные электрофизические и магнитные свойства, становятся негорючими и т. д.

Легирование ферромагнитными наночастицами (Fe, Co, Sm и др.) с размерами 2…5 нм позволяет создавать среду — носитель информации с потенциальной плотностью записи в сотни раз выше, чем в лучших существующих магнитных носителях.

Отдельный класс наноструктурированных материалов представляют собой матрицы с нанопорами и каналами, размеры и геометрия которых могут регулироваться средствами нанотехнологии в широких пределах. Такие материалы имеют перспективы широкого использования в качестве катализаторов, фильтров, поглотителей, сепараторов, контейнеров для хранения газообразных продуктов, топлива, лекарств и т. п.

Наноматериалы, часто называют «интеллектуальными». «Интеллектуальные» материалы выполняют статическую или динамическую работу, т. е. или ведут себя одинаково во всех условиях, или активно реагируют на внешние раздражители, меняя свои свойства. Например, если стекла автомобиля изготовить так, чтобы они не смачивались водой, то они не будут замерзать (статический уровень интеллекта). Если же стекла изготовить так, что они изменяют степень прозрачности в зависимости от интенсивности света, то это — пример динамического интеллекта.

В природе почти все биологические структуры являются интеллектуальными.

Человеческая кожа пропускает воду и растворенные ионы, но действует как барьер для воздуха (извне) и биологических жидкостей (изнутри). Кожа является датчиком тепла, звуковых колебаний, прикосновений, кроме того, она самовосстанавливается.

Интеллектуальные материалы могут обладать свойствами самовосстановления, избирательного разделения, распознания, каталитическими и другими. Они могут быть макрообъемны, но проектируются и создаются эти свойства на наноуровне.

В настоящее время известны десятки (если не сотни) методов создания тонкопленочных структур со средней толщиной от долей микрометров до микрометров. При этом обычно эти методы объединяют в два больших класса: физического осаждения и химического осаждения.

Планарные полупроводниковые технологии (уже ставшие традиционными) позволяют создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи. Современные промышленные методы оптической литографии (переноса рисунка электрической схемы на кремниевую подложку) позволяют создавать элементы с размерами около 0,1 мкм. Фактически с помощью этих методов почти достигнут физический предел плотности монтажа, но это обусловлено не столько методом создания необходимой структуры, сколько оптическим способом управления этим процессом.

Следует отметить, что разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий из нитридов, боридов и карбидов различных металлов толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только монокристаллическому алмазу. Подобные покрытия значительно увеличивают износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионную стойкость изделий, сделанных из сравнительно дешевого основного материала.

С использованием пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые наноструктуры, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Эти структуры могут использоваться в качестве сенсоров, элементов экранов высокого разрешения и в других приложениях (рис. 15).

Пучок нанопроволок из SiO2

Рис. 15. Пучок нанопроволок из SiO2 (их диаметр составляет несколько нанометров), выращенных на кремневой подложке

Появление полупроводниковой электроники является важнейшим технологическим достижением второй половины ХХ века. Развитие полупроводниковых технологий, с помощью которых был создан микрочип, а также его применение в средствах связи, вычислительной технике, бытовой электронике и медицине позволили произвести поистине революционные изменения в этих областях.

Так, еще в 50-х годах ХХ века телевидение было черно-белым, нечетким, телевизоры перед экранами имели линзы, в мире насчитывалось не более десяти компьютеров, а мобильная связь, цифровая электроника, персональные и бортовые компьютеры были представлены только в фантастических произведениях.

Большинство достижений современной цивилизации стали возможны благодаря увеличивающейся надежности и уменьшающейся стоимости полупроводниковой электроники. Объем пространства, необходимый для установки транзистора на чип, сокращается вдвое примерно каждые восемнадцать месяцев, т. е. ячейка, которая когда-то могла вместить 1 транзистор, через пятнадцать лет уже может вместить 1000 транзисторов.

Темпы улучшения всех параметров элементной базы электроники на протяжении последних 30 лет были исключительно высокими. Однако дальнейшее развитие информационных технологий сдерживается рядом ограничений, накладываемых существующими средствами электроники. Для того, чтобы сделать очередной шаг в миниатюризации, освоении новых принципов обработки, хранения передачи данных требуется радикальное увеличение быстродействия, а также интеграции и плотности размещения отдельных элементов на поверхности и в объеме при одновременном снижении энерговыделения и себестоимости чипа. При этом плотность записи, осуществляемая с применением используемых лазерных технологий, приблизилась к своему физическому пределу. Таким образом, дальнейшее совершенствование технологий уже невозможно эволюционным путем и требуется их революционное изменение. В этой связи любые достижения в нанонауке сначала просматриваются с точки зрения перспективности их использования в информационных технологиях.

Согласно прогнозам большинства специалистов развитие компьютерных и телекоммуникационных технологий в XXI веке будет связано с использованием последних достижений физики квантовых низкоразмерных структур и нанотехнологий изготовления этих структур, их контроля и использования.

К наиболее перспективным из этих технологий относятся электронная литография, электроннолучевое выращивание кристаллов, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия. Разработка принципиально новых концепций и подходов, явным образом учитывающих атомарную структуру вещества и квантовые закономерности его поведения на таком уровне, становится неизбежной.

Следует отметить, что достижение квантовых пределов ожидается еще не скоро и многие новые принципы и элементы уже опробованы в лабораториях (к примеру, созданы ячейки памяти, размер которых составляет 20 нанометров). Можно предположить, что в ближайшее десятилетие чипы с динамической памятью по количеству транзисторов достигнут числа нейронов в человеческом мозге.

Молекулярная электроника также рассматривается многими специалистами как реальная альтернатива «кремниевой» в недалеком будущем. Тому есть несколько причин. Так, за миллионы лет эволюции в природе возникли разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции (сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные и т. д.). Возникает закономерный вопрос: зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов кремния, легирующих элементов и т. п. при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более, что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры.

В конце XX века подобные идеи не получили широкого распространения, поскольку детальной информации о физических, электрических, магнитных и других свойствах крупных молекул было еще мало. В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания представителей практически всех классов структур, необходимых для информационных технологий. При этом уже созданы и используются недорогие чипы на органических транзисторах, которые можно использовать как метки для идентификации продуктов, партий товаров и почты.

Нанотехнологии позволяют производить элементы, используемые при создании микроэлектромеханических систем (MEMS). Существуют лабораторные разработки, создающие реальные перспективы практического применения МЕМS в микроробототехнике. В этой связи большой интерес представляет создание молекулярных механизмов простейших типов (молекулярные подшипники, шестеренки, валы и зубчатые передачи) (рис. 16).

В лабораториях уже созданы все необходимые компоненты для производства микророботов различного назначения. Так, в США существует программа создания «умной пыли» («Smart dust»). Это — большое семейство микророботов, величиной в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели и каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т. д.

Существуют проекты создания и специальных микророботовдокторов, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга. Перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другим системам человека, эти «доктора» будут заботиться о его самочувствии и здоровье. Уже созданы прототипы таких роботов, имеющих все функциональные узлы, размеры которых составляют около 1 мм.

Зубчатая передача из углеродных нанотрубок

Рис. 16. Зубчатая передача из углеродных нанотрубок с зубцами из молекул бензина С6Н4 .

Наноострия и просто нанопроводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. Если к ним подключить нанонасосы, то в результате этого получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью около 1 см2. Уже существуют анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, а также «искусственные нос и язык» для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей и т. д.).

Огромные перспективы имеют нанотехнологии в области биологии. Это касается как непосредственно человека, так и всего окружающего биологического мира (генная инженерия, белковая инженерия, разработка лекарств с «адресной доставкой» в организме и др.).

В настоящее время в области нанонауки и нанотехнологии реализуются десятки крупных программ в развитых странах мира. Нанотехнологии используются в здравоохранении и медицине, биотехнологиях и охране окружающей среды, военном деле и космонавтике, электронике и вычислительной технике, химическом и нефтехимическом производстве, энергетике и транспорте.

Следует отметить, что нанотехнологии входят в категорию приоритетных направлений научно-технической политики всех развитых стран.

По оценкам специалистов в области стратегического планирования и научно-технической политики существующая ситуация по многим признакам напоминает ту, которая сложилась в 70-е годы ХХ века в преддверии тотальной компьютерной революции, но последствия новой (нанотехнологической) революции будут гораздо значительнее.

Предвидеть все последствия начавшейся нанотехнологической революции пока еще трудно. Однако все эксперты сходятся на том, что эти последствия будут еще масштабнее и глубже, чем от информатизации общества. Умение использовать достижения этой новой науки и соответствующих технологий, способность их развивать станет стратегическим преимуществом соответствующего региона или страны.

Многие исследователи считают, что использование нанотехнологий приведет к следующим переменам в жизни общества:

  1. Потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными, компактными и дешевыми.
  2. Медицинское обслуживание будет более доступным и эффективным. Появятся новые лекарственные препараты и диагностические средства. Нанобитехнология сделает жизнь людей более здоровой и продолжительной.
  3. Появятся связанные с Интернетом устройства, объединяющие функции телефона, телевизора и компьютера. Возникнет глобальная система связи.
  4. Мир вещей станет «интеллектуальным» за счет встраивания чипов во все предметы быта и производства (посуду, бумагу, ткани, инструменты, бытовые приборы и т. п.).
  5. Общество станет более свободным и интеллектуальным.

Наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств. Сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах. Ээлектронно-информационный бизнес (IT-бизнес) уступит лидирующие позиции NT-бизнесу (нанотехнологическому). Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки производственных отношений и системы образования на всех уровнях, которая должна будет динамично реагировать на смену производственной парадигмы.

Следует отметить, что развитие нанотехнологий может иметь и отрицательные последствия (например, применение соответствующих разработок в военных целях может привести к непредсказуемым результатам). Поэтому развитие и распространение многих направлений нанонауки и нанотехнологий должно контролироваться международным сообществом.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *