Журнал «Вокруг Света» №04 за 2007 год

Нанотехнологии, или Атомы вместо гвоздей

В природе нанороботы и нанофабрики работают уже миллиарды лет. Никого не удивляет то, что всего из одной яйцеклетки вырастает человек. Правда, его собственные возможности в части создания миниатюрных конструкций существенно уступают технологическому потенциалу даже простейшей бактерии. Однако, не копируя природу, человечество уже научилось работать со структурами размером с вирус и активно осваивает манипулирование отдельными атомами. Сегодня в промышленных масштабах производятся такие изделия, что по сравнению с ними гвозди, которыми Левша подковал блоху, все равно что египетские пирамиды рядом с детскими кубиками.

Впервые о возможности миниатюризации всего и вся и работе с отдельными атомами заговорил американский физик Ричард Фейнман. В своей знаменитой лекции «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», прочитанной в 1959 году, он достаточно аргументированно показал, что законы квантовой механики не препятствуют созданию нужных людям структур из совсем небольшого числа атомов. В те годы, когда практически единственным инструментом, позволяющим хоть что-то разглядеть в наномасштабе, был электронный микроскоп, идеи Фейнмана казались фантастикой.

Фантастический наноробот «делает укол» эритроциту. Хотя подобные рисунки довольно наглядны, они весьма далеки от реальных современных нанотехнологий

Однако уже в 1974 году японский физик Норио Танигучи вводит в обиход термин «нанотехника», а через три года нобелевский лауреат Илья Пригожин констатирует, что «мы знаем, где дверь в эту комнату», на полу которой, по словам Фейнмана, «полно игрушек». Сегодня многие связывают рождение новой эпохи с 1981 годом, когда немецкие физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали зондовый туннельный микроскоп, позволяющий не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы. Но порой нужны годы, чтобы научный прибор стал инструментом технолога. Только в 1989 году сканирующий туннельный микроскоп удалось использовать как наноманипулятор, сложив с его помощью регулярную структуру из атомов. Аккуратные сотрудниики IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер выложили название своей компании 35 атомами ксенона на поверхности кристалла никеля. Эта операция заняла 22 часа и проходила при температуре вблизи абсолютного нуля (–273°С). После нагрева кристалла до –230°С буквы IBM испарились.

Справедливости ради надо отметить, что сканирующие зондовые микроскопы — туннельные, атомно-силовые, оптические — так и не стали основным инструментом нанотехнолога и скромно занимают нишу аналитического и метрологического позволяющего контролировать и лишь иногда подправлять результаты, полученные с помощью настоящих наноинструментов.

Размерные приставки для единиц измерения

фемто

ф

10-15

квадриллионная доля

пико

п

10-12

триллионная доля

нано

н

10-9

миллиардная доля

микро

мк

10-6

миллионная доля

милли

м

10-3

тысячная доля

кило

к

103

тысяча

мега

М

106

миллион

гига

Г

109

миллиард

тера

Т

1012

триллион

пета

П

1015

квадриллион

Волшебный размер

Фрагмент микросхемы памяти. Под утолщением на среднем проводнике находятся транзисторы, которых на кристалле несколько сотен миллионов. Увеличение около 10 000х

Милли, микро, нано и пико — эти дольные приставки еще долго будут символом технического прогресса и признаком совершенства технологий, которыми овладело человечество. С самого начала огромный интерес ко всему, что связано с наноразмерными объектами, проявляли компьютерные гиганты. Они и по сей день главные двигатели прогресса в этой отрасли, являясь основными производителями самых маленьких на Земле изделий — транзисторов, работающих в микропроцессорах современных компьютеров и сотовых телефонов. Именно уменьшение размеров элементной базы обеспечило поразительный рост быстродействия и снижение стоимости электронных вычислительных машин и привело к их повсеместному проникновению в нашу жизнь.

Эти два процесса — миниатюризация основных рабочих элементов (для компьютеров это транзисторы) и повышение быстродействия не случайно идут вместе и жестко взаимосвязаны. Дело в том, что любая микросхема содержит не только транзисторы и резисторы, но и множество полезных и вредных электрических емкостей. Эдаких маленьких конденсаторов, которые приходится периодически заряжать и разряжать, расходуя не только энергию, но и время. Чем меньше геометрические размеры активных элементов, тем меньше оказываются паразитные емкости и тем меньшими токами и быстрее можно перевести микросхему из одного логического состояния в другое. Соответственно быстрее происходит сложение чисел и выполнение других математических действий.

Ток в этом нанотранзисторе течет снизу вверх. Им управляет напряжение на затворе (горизонтальная полоса)

Процессор Pentium, появившийся 14 лет назад, имел характерный размер элементов 1 мкм и содержал 3 миллиона транзисторов, работал на частоте 60 МГц и при этом потреблял до 15 Вт электроэнергии. Pentium 4 Dual Core, изготовленный по технологии 65 нм в 2005 году и работающий на тактовой частоте 3,4 ГГц, содержит 1,7 миллиарда транзисторов. И хотя каждый транзистор тратит на одно переключение всего лишь сотые доли фемтоджоуля (то есть порядка 10-15 Дж), с учетом их огромного числа и высокой скорости срабатывания общая потребляемая мощность может достигать 100 Вт. Для нормальной работы процессора нужны не только десятки ампер тока, но и специальная система принудительного охлаждения. Сегодня компания Intel приступила к массовому производству процессоров Penryn, в которых характерный размер структурных элементов составляет всего 45 нм, а слои используемого в качестве изолятора оксида гафния имеют толщину около 1 нм.

Как это ни парадоксально, но основным инструментом современной микроэлектроники является свет, точнее, ультрафиолетовые лучи с длиной волны 151 нм. Сегодня 65-нанометровый «рисунок» внутренней структуры процессора или кристалла флеш-памяти наносится на кремниевую пластину, покрытую тончайшим слоем фоторезистивного материала с помощью фотошаблона и излучения эксимерного лазера, работающего в жестком ультрафиолете. Этот способ отдаленно напоминает фотопечать снимков. Как и в фотопроцессе, за экспозицией следует проявка, а за ней прочие этапы планарной технологии изготовления микросхем (напыление, диффузия, отмывка и т. д.). И в массовом производстве электроники отказываться от электромагнитного излучения и фотошаблонов пока никто не собирается, даже при переходе на технологию с шагом элементов 22 нм. Более того, проводят эксперименты, в том числе и в России, с экстремально жестким ультрафиолетовым излучением, имеющим длину волны всего 13,5 нм. Правда, особо горячие головы склонны считать, что все эти достижения производителей микросхем совсем даже не относятся к области нанотехнологии, полагая, что «нано» начинается только там, где малый размер структуры обеспечивает новому материалу или устройству уникальные физические и потребительские свойства.

У миниатюризации, естественно, имеется предел. Поскольку все сделано из атомов, то и транзистор должен состоять хотя бы из не скольких этих элементарных кирпичиков вещества, чтобы электронам, несущим информацию, было где остановиться в ожидании прихода следующей порции данных. Время межатомного взаимодействия измеряется фемтосекундами (10-15 секунд).

Компьютер, работающий на тактовой частоте в несколько терагерц и состоящий из триллионов сверхминиатюрных логических элементов, легко разместится внутри макового зернышка. Причем он будет потреблять так мало энергии, что это чудо техники можно будет вживить человеку. Так что в не столь отдаленном будущем каждый желающий сможет существенно повысить свои познания, интеллектуальные возможности и объем памяти, просто имплантировав миниатюрный суперкомпьютер себе под кожу.

Старые рецепты

Глубоко не правы те, кто полагает, что нанотехнологии родились лишь в конце XX века и до того люди вообще не умели делать ничего размером меньше десятых долей миллиметра. Хорошо наточенный нож или бритва имеют режущую кромку толщиной порядка микрона (0,001 мм). Наночастицы сажи уже 100 лет добавляют в резину при изготовлении автомобильных покрышек. Более века ученые используют в своих приборах так называемые нити Волластона — платиновые и золотые нити диаметром существенно меньше одной тысячной доли миллиметра. Хрестоматийным примером древнейших нанотехнологий является сусальное золото, тончайшими пластинками которого и сегодня покрывают оклады икон и художественные изделия, а в древности золотили купола церквей. При этом после многократной ковки из 2—3 граммов золота получается почти квадратный метр покрытия толщиной менее микрона. Несмотря на все успехи химии и электролизного дела, этот метод и сегодня остается самым экономичным по расходу золота. Наноуровневые процессы лежат в основе виноделия, хлебопечения и сыроварения. С частицами вещества размером меньше микрона работают фотографы и художники. В фотоэмульсиях и красках встречаются очень маленькие кристаллики, а струйные принтеры «стреляют» капельками чернил размером в сотые доли микрона. При записи голограммы возникают структуры хотя бы по одному направлению (обычно в глубину), имеющие размер существенно меньше одной тысячной миллиметра. Ставшие привычными голографические значки на этикетках и акцизных марках, по сути, продукт нанотехнологический. Химики тоже давно осознали важность микроструктуры катализатора для процесса синтеза и старательно измельчают частицы платины и других «ускорителей» химических реакций. Естественно, что в этих древних и не очень примерах микроскопические структуры возникают в ходе вполне макроскопических действий и в современном понимании не являются продуктом наномасштабного производства.

Необычные материалы

Если оставить в стороне микроэлектронику, то самыми массовыми нанопродуктами окажутся разного рода сплавы, покрытия и композитные материалы, приобретающие особые свойства благодаря своей микроструктуре. Аморфные и нанодисперсные состояния многих металлов кардинально отличаются по своим характеристикам от их кристаллических форм. При этом в одном материале порой удается совместить крайне противоречивые механические свойства: одновременно увеличить твердость и пластичность. Еще шире перспективы применения разного рода композитов, когда в относительно мягкую, например хромовую, матрицу вводится крайне твердый материал —карбид вольфрама. В этом случае получается всем давно известный твердый сплав победит. Однако если полвека назад его делали, используя частички карбида размером с десятки микрон, то сегодня используют порошки размером существенно меньше микрона. Благодаря этому он не только становится тверже, но и более гладко режет сталь.

Самый тонкий в мире провод из углеродных нанотрубок на фоне платиновых электродов. Толщина провода всего около 10 атомов. Увеличение около 500 000х

Особые механические свойства — лишь часть достоинств новых сплавов. Одним из знаковых успехов последних лет была разработка целого ряда прочных и легких биологически совместимых материалов. В активно развивающемся направлении по созданию бактерицидных красок, покрытий и перевязочных материалов все шире применяются разного рода нанодисперсные материалы для борьбы с вредоносной флорой и фауной.

Нанопорошки активно используются при изготовлении всех видов магнитных носителей информации — от полоски с данными на кредитной карте до компьютерных жестких дисков. При этом у последних слой магнитного материала для снижения износа покрывается алмазоподобной пленкой толщиной несколько нанометров и тончайшим нанометровым слоем специальной смазки. Вот и получается, что у каждого из нас уже есть несколько устройств, в которых активно проявили себя нанотехнологические достижения.

Специальные смеси нанопорошков «лечат» двигатели внутреннего сгорания и трущиеся узлы. Микропористые материалы подходят для хранения водорода и сбора разлившейся по воде нефти. Адресная доставка лекарств в раковую опухоль и микрокапсулированные препараты тоже не могут обойтись без разработки специальных саморегулирующихся процессов, массово происходящих на наноуровне. Используя наноструктурированные полимеры и углеродные нанотрубки, сегодня пытаются сделать искусственные мышцы и дешевые солнечные элементы. Кстати, именно углеродные нанотрубки по праву могут считаться символом начинающейся нанореволюции.

Основные исторические вехи

1974 г. — выдан патент на первое устройство молекулярной электроники

1981 г . — изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) 1985 г. — открыты фуллерены

1986 г. — изобретен атомно-силовой микроскоп (АСМ)

1987 г . — создан первый одноэлектронный транзистор

1991 г . — открыты углеродные нанотрубки

1993 г. — в США организована первая нанотехнологическая лаборатория

1997 г . — создано нанотехнологическое устройство на основе ДНК

2000 г. — в США принята Национальная нанотехнологическая инициатива

2002 г . — удалось получить единый механизм, соединив углеродную нанотрубку с ДНК

2005 г. — обнаружено множественное рождение электронов в фотоэлементах из наноточек

2006 г. — произведена нитка и соткан первый образец ткани из углеродных нанотрубок

Молекула фуллерена C60 напоминает футбольный мяч, составленный из правильных пятии шестиугольников Вездесущий углерод

Трудно выделить какое-то особое научное открытие, произошедшее в конце XX века, заставившее правительства промышленно развитых стран срочно пойти на штурм основной технологии XXI века. Пожалуй, именно открытие фуллеренов и углеродных нанотрубок стало ключевым фактором для осознания важности такого рода исследований. Сферические молекулы фуллерена С sub 60 /sub и свернутые в трубочку графитовые плоскости потрясли не только физиков и химиков, но и материаловедов с технологами. Элемент, ответственный за существование жизни, преподнес очередной сюрприз, показав, что и без помощи кислорода и водорода он способен образовывать гигантские молекулы, длина которых в миллионы раз превышает их диаметр.

Сегодня умеют массово выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки длиной сотни микрон. И это при том, что диаметр такого волокна не превышает нескольких десятков нанометров. Растут они на подложке из кремния, словно густой лес, который потом можно «срубить» и сплести в одну длинную нить. Сотрудники Техасского университета в Далласе (The University of Texas at Dallas) из 1 см2 такого «леса» вытягивают несколько метров высокопрочной почти невидимой нити толщиной несколько микрон. Сделанные из нее 20-микронные «канаты» оказались в 5 раз прочнее самых крепких кевларовых нитей такого же диаметра. Пуленепробиваемые жилеты и самолеты из углеродных нанотрубок делать пока еще не начали, но образец материи на миниатюрном ткацком станке сплели и провели разного рода испытания.

Создание материала, на порядок более прочного и легкого, чем сталь, — давнишняя мечта материаловедов и инженеров. И сегодня она уже близка к своему воплощению. Причем, учитывая темпы внедрения полезных для жизни научных открытий, революция в материаловедении не за горами. Углеродные нанотрубки имеют не только уникальные механические свойства, но и необычные электрические. Они бывают с полупроводниковым и металлическим типом проводимости, а значит, используя их, можно делать не только углеродные интегральные микросхемы, но и электрические провода для обычных кремниевых. Сопротивление однослойной нанотрубки не зависит от ее длины, благодаря этому их удобно использовать для соединения логических элементов внутри микроэлектронных устройств. Допустимая плотность тока в нанотрубках много больше, чем в металлических проводах такого же сечения, и в сто раз превышает лучшие достижения для сверхпроводников.

Про уникальные свойства углеродных нанотрубок написаны сотни книг, и даже простое перечисление областей их возможного применения займет не одну журнальную полосу. Похоже, что этот нанообъект первым найдет массовое применение в производстве микросхем памяти, в самолето- и автомобилестроении. Особый интерес к углеродным волокнам проявляют сегодня космические агентства, надеющиеся с их помощью сделать более компактными и мобильными будущие автоматические космические аппараты. С надеждой смотрят на углерод и строители пресловутого космического лифта, который должен открыть дорогу в космос всем желающим.

Первая российская нанотехнологическая установка Nanofab-100 демонстрировалась в 2006 году на X российском экономическом форуме в Санкт-Петербурге накануне встречи «Большой восьмерки». Включает атомно-силовой и туннельный микроскопы, а также модуль для модификации материалов сфокусированными ионными пучками (справа) и модуль для наращивания нанопленок

Миллиарды в наноиндустрию

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» — так называется Федеральная целевая программа, одной из частей которой значится «Индустрия наносистем и материалы». Здесь определено то, что российское правительство намерено вкладывать деньги в развитие нанотехнологий. Почти 5 миллиардов рублей было истрачено за 2005 и 2006 годы на генерацию знаний, разработку и коммерциализацию технологий. Еще больше будет вложено в освоение наномира в ближайшие пять лет. С 2007 по 2012 год общий объем финансирования приоритетных направлений составит почти 200 миллиардов рублей. Причем на наносистемы и материалы из этой суммы будет истрачено не менее трети, что вполне сопоставимо с американским миллиардом долларов, выделяемым ежегодно на развитие нанотехнологий. В 2007 году из федерального бюджета на развитие приоритетных направлений выделено 11,7 миллиарда рублей, из которых почти 40% — на работы в области нанотехнологий — в два с лишним раза больше, чем на энергетику и энергосбережение. Похоже, что и Федеральное агентство по науке и инновациям планирует зарабатывать доллары, продавая наноструктурированные материалы и изделия из них. В материаловедческой сфере у России пока есть определенный задел и достойное место в мировой экономике. Наши достижения по части производства самого массового и ликвидного продукта современных нанотехнологий — интегральных микросхем — мало кого в России могут порадовать, и промышленные предприятия, традиционно занимавшиеся микроэлектроникой, в рамках собственных программ развития наноиндустрии делают нанодисперсные материалы, ремонтно-восстановительные смеси и композитные материалы на основе углеродных нанотрубок.

Сказки для журналистов

Рассказ про реальные нанотехнологии, наномоторы, нанопинцеты и наносенсоры очень часто заканчивают картинкой некоего супернаноробота, который, орудуя в нашем организме, устраняет все наследственные огрехи и благоприобретенные болезни. Красивая мечта — создание искусственных самореплицирующихся, почти живых существ — достаточно часто изображается как основная задача развития нанотехнологий.

Любимое слово современного нанотехнолога — «самоорганизация». И в этом есть свой резон. Если триллион наноустройств собирать последовательно, тратя на сборку одного всего микросекунду, то на всю партию придется убить миллион секунд, то есть две недели непрерывного рабочего времени. Именно по этой причине фантасты предлагают организовывать нанопроизводство по схеме размножения дрожжевых бактерий. Делаем сначала всем миром одну универсальную нанофабрику. Затем настраиваем ее на изготовление себе подобных. Через некоторое время получаем уже две работающие фабрики, далее их становится 4, 8, 16, 32, 64 и так далее в геометрической прогрессии. Создав за короткое время (всего 20 саморепликаций) миллион таких универсальных фабрик, устанавливаем их в особо чистой комнате, размером несколько футбольных полей, и запускаем процесс производства всего что душе угодно, начиная от поджаристых пончиков и заканчивая вживляемыми супернанокомпьютерами, превращающими любого желающего в гения. Заманчивая перспектива, но крайне далекая от современной реальности и, возможно, в принципе нерентабельная.

Но эта мечта внушает и беспокойство — вдруг контроль за размножением и деятельностью «искусственной жизни» будет потерян и она просто разрушит всю нашу среду обитания. Подобный сценарий конца света впервые описал Эрик Дрекслер в книге «Машины созидания» (1986). Благодаря ей за новой опасностью закрепилось название «серая слизь» (gray goo). Оценить степень фантастичности подобных идей проще всего, вспомнив о том, как в 70-е годы прошлого века мечтали о появлении роботов и опасались восстания машин. Разговоры об искусственном интеллекте и могучих роботах перекочевали со страниц книг на экраны кинотеатров, но там пока и остаются, будучи крайне далеки от реальностей жизни.

Наноструктура из молекул ДНК (фиолетовые), скрепленных липидным «цементом» (зеленый). ДНК — отличный наноматериал, способный к самосборке. Причем ДНК могут образовывать не только классические двойные спирали, но и другие сложные объемные конструкции

Роботы пришли в наши дома хотя бы в виде автоматического пылесоса или японской собачки AIBO. Однако даже знаменитые роботы-исследователи Марса Spirit и Opportunity, принимающие массу решений самостоятельно, по своим интеллектуальным и творческим способностям еще крайне далеки не только от Терминатора, но и от обычного муравья. Так что же тогда можно сказать об умных и умелых роботах размером с эритроцит или лейкоцит? Фантастика, да и только, но красивая и подогревающая уверенность Homo sapiens в своем величии. Работы по созданию новой электронной жизни идут сегодня полным ходом, но, даже по самым оптимистичным прогнозам, создать что-то действительно полезное людям на этом пути удастся не скоро.

И даже если отказаться от самостоятельности и «разумности» медицинских нанороботов, оставив их просто послушными исполнителями команд и поставщиками информации, то и тогда их создание останется сверхсложной задачей, поскольку перед тем, как вмешиваться в работу живых нанофабрик, надо понять, как они работают и к чему может привести чужеродное влияние. И вот здесь действительно есть много интересных и вполне посильных задач для тех, кто умеет работать с отдельными атомами и молекулами.

Вопросы о том, что такое жизнь и тем более разум, пока еще не стали исключительно научными, и в них очень много философских и мировоззренческих проблем. Хотя математики еще в прошлом веке доказали теорему о том, что в принципе вполне возможно создание столь сложного алгоритма, что он будет способен сам генерировать не менее сложные алгоритмы. Образно говоря, хорошо известный эмпирически факт существования человека разумного сегодня имеет и математическое обоснование. Правда, те же математики доказали и куда более сильное утверждение, называемое теоремой останова, согласно которой не существует алгоритма, который однозначно мог бы определить: не зациклится ли он, будучи примененным к некоторой входной последовательности данных. Так что, прежде чем запускать наноробота в свою кровеносную систему, стоит как следует подумать, «кем я стану, когда он оттуда выйдет». Впрочем, пока это чисто гипотетическая угроза, несмотря на все ужасные истории про «серую слизь», пожирающую все живое и неживое на нашей планете.

Предстоящий прорыв инженеров в мир атомов будет не менее значим, чем освоение ядерной энергии или выход в космос. Причем особую актуальность исследования в области наномира приобретают в связи с планируемым активным вмешательством в биологические процессы. Выяснение тех законов, по которым организуются живые и неживые системы, может кардинально изменить наш мир, и эти изменения могут иметь столь глобальный характер, что о предстоящих угрозах приходится думать не меньше, чем о гарантированном всеобщем благоденствии.

Владимир Решетов