Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Никакое государство не может быть сильным и конкурентоспособным на мировом рынке, если не будет развивать науку и, опираясь на нее, инновационную программу высоких, наукоемких технологий, востребованных обществом. При этом не менее важной компонентой должна быть адекватная образовательная программа. И только такая триада способна привести к прорывам в науке и технологиях, как это было в середине прошлого века с разработкой атомного проекта и освоением космоса в Советском Союзе. Эти примеры демонстрируют исключительную важность поддержки государством фундаментальной и образовательной составляющих национальных проектов. В XXI веке такой прорыв ожидается в области нанотехнологий, которые, несомненно, являются детищем фундаментальной науки и призваны объединить усилия ученых и инженеров самых разных специальностей: физиков, химиков, механиков, материаловедов, биологов, медиков, специалистов в области вычислительной техники и многих других. Есть основания надеяться, что реализация этого проекта приблизит ученых к еще более глубокому пониманию единства наук и законов Природы.

Итак, нанотехнологический проект получил решительную поддержку на государственном уровне, и это вселяет надежду на новый всплеск широкомасштабного развития российской науки после сравнительно длительного «затишья». А в области инновационной деятельности, скорее всего, именно этот проект может стать той стартовой площадкой, откуда Россия выйдет на мировой рынок потребительских товаров нового поколения. Нельзя, однако, забывать и о возможных социальных опасностях нанотехнологий, в том числе связанных со здоровьем людей и изменением окружающей среды. Трудно также переоценить последствия осуществления этого проекта в общецивилизационном плане. «Действующая сегодня в мире система организации и финансирования науки, — говорит директор РНЦ «Курчатовский институт», член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук, — во многом препятствует подобным междисциплинарным работам, так как построена по отраслевому, узкоспециализированному принципу. Чтобы перейти к новой экономике, надо в корне изменить нынешнюю организацию науки. Причем это касается не только России. Страна, которая первой осознает изменение парадигмы науки и достойно ответит на нановызов, обеспечит лидерство в сфере высоких технологий, улучшение условий жизни, национальную безопасность. Сегодня это ключевой вопрос». Ставки столь высоки, что, например, американский бизнесмен Фред Кавли учредил три новые научные премии достоинством в миллион долларов каждая, одну из которых раз в два года будут вручать за работы в области нанотехнологий.

Мы уже неоднократно писали о бурном их развитии. Но успеть за потоком сообщений с научного, технологического, а теперь и с экономического и политического «фронтов» просто были не в состоянии. Однако последние события, в том числе заседание Президиума Госсовета, посвященное инновационной деятельности, побудили нас осмыслить возникшую ситуацию в «Главной теме», причем из-за ее важности — в двух номерах подряд. Сегодня мы пойдем путем, подсказанным, кстати, нанотехнологами, а именно «bottom-up» («снизу вверх»), пытаясь, пусть контурно, обрисовать панораму достижений, наработанных в этой широчайшей области, и ее перспективы. А через месяц, сменив направление, двинемся «top-down» («сверху вниз») и попробуем оценить реальность «нанопланов» с позиций «нанознатоков» — как оптимистов, так и скептиков.

Александр Волков

Очевидное — нановозможное

Эрик Дрекслер

Нанотехнологии часто называют важнейшими технологиями XXI века (см. «З—С», 5/02, 10/06). Уже сейчас мы начинаем использовать те преимущества, которые открываются перед нами в загадочном наномире — среди атомов и молекул. Ведь это — мир особых феноменов и эффектов, которые описывает один из разделов физики — квантовая механика. Правда, пока область применения нанотехнологий — самая обыденная: их используют для производства оконных стекол, фольги, косметических кремов. Но эта приземленная практика все же не посрамляет видения футурологов, таких как Эрик Дрекслер, обещавших, что мир бесповоротно изменится, когда мы научимся манипулировать нанообъектами.

А как все начиналось! Одно невероятное на словах...

Послушайте только! Вы решили приобрести новый кухонный стол.

Выбираете модель по каталогу, указываете размеры и обращаетесь в мастерскую. Спецзаказ! Там ваш столик будет выполнен по уникальной технологии. Его соберут атом к атому, молекула к молекуле. Без винтов и дюбелей. Тэйбл получится прочным, словно стальная конструкция, и легким, как из пластмассы. Из чего же он сделан? Да никакой химик не разберет! Расположение атомов в этом материале не будет напоминать ни одно известное науке вещество.

Подобное видение «фабрики будущего» появилось в 1986 году на страницах книги Engines of Creation («Машины творения»), написанной тридцатилетним американским инженером Эриком Дрекслером. Он мечтал о грядущей промышленной революции. «Благодаря ей мы научимся контролировать поведение отдельных атомов и молекул, а также с поразительной точностью манипулировать ими». Из этих мельчайших элементов вещества можно будет собирать любые предметы. Впервые за свою историю человек станет полновластным хозяином в Микрокосмосе. Столетиями средневековые мудрецы искали философский камень, и вот теперь современная наука, как древняя алхимия, даст ученым возможность по своему хотению превращать одни предметы в другие: творить из отдельных атомов и молекул нечто новое, невиданное прежде.

Эту удивительную методу Дрекслер назвал «нанотехнологией». Слово, придуманное, кстати, не им, быстро прижилось во многих языках мира, и в последнее время стало очень модным — едва ли не «символом веры» нашего постиндустриального общества.

Адепты «нанотехнологии» обещают наступление нового «золотого века» — эпоху материального изобилия. Ведь все, что понадобится человеку, можно создать, присоединяя друг к другу в нужных пропорциях, например, атомы углерода, водорода, кислорода. Зачем выращивать стада животных или занимать поля под зерновые, если можно наладить сборку мясопродуктов и муки на любой нанофабрике? Методы нанотехнологии применимы повсюду, потому что все вокруг — и мы сами не исключение — состоит из атомов. Любые свойства предметов зависят от того, как они расположены. Размещая их на нужных местах, мы в принципе можем собрать что угодно, обращаясь с этими «кирпичиками мироздания», как с кусочками паззла. Возможности создания новых объектов кажутся поистине безграничными. По идее, эти миниатюрные машины — ассемблеры — могут конструировать из отдельных атомов даже людей! Людей, которым отныне нечего и бояться!

Разве нужно им думать о болезнях, если целая армия нанороботов будет сновать по их венам, устраняя все неполадки и ликвидируя любую злокачественную клетку, или, взяв в осаду больной орган тела, вызывать огонь лекарств на себя? В мечтах футурологов каждый из нас превратится в эдакого диктатора, которого охраняет от покушений незримая рать крохотных воинов. В таком случае недалеко и до бессмертия. Отряды космонавтов, защищенные личной гвардией нанороботов, отправятся к соседним звездам и внесолнечным планетам, засеивая космическую даль семенами земной жизни.

Правда, столь же грандиозны и видения противников «нанотехнологии по Дрекслеру». С помощью нанороботов можно установить тотальный полицейский контроль, совершать террористические акты по всему миру, вести жестокие войны, буквально в считанные часы одерживая победы над странами третьего мира...[* К обсуждению опасностей, связанных с внедрением нанотехнологии, мы вернемся в следующем номере журнала.]

Именно эти фантастические картины — поистине религиозные откровения, явленные в наш прагматичный век, — и привлекли внимание к новой научной дисциплине. Она обещала легко разрешить проблемы, одолевающие современное человечество, или. подтолкнуть цивилизацию к гибели. Те и другие видения завораживали. Прекрасное и ужасное неминуемо скрещивались, и в этом перекрестье возникала из пустоты фигура всемогущего робота — творца всех грядущих радостей и бед. Человек то возносился на недостижимую прежде высоту, превращаясь в подлинного повелителя Природы — в подобие Бога на земле, то становился жалким рабом машин, для которых его тело — только коллекция атомов и молекул, из коей можно собирать тьмы и тьмы новых роботов. Сама нанотехнология стала, как казалось многим, наукой, балансирующей на грани фантастики. К Дрекслеру же его коллеги начали относиться как к новому Азимову или Уэллсу, при этом неизменно подчеркивая: «Чтобы осознать возможности, открывающиеся перед нами в наномире, нам не обойтись без фантастических идей».

Сама по себе «нанотехнология» — расплывчатое понятие. Нередко те, кто говорит о ней, вкладывают совершенно разные смыслы. Обобщая их, можно сказать, что нанотехнология — это научное и промышленное направление, которое занимается любыми объектами размером менее ста нанометров — ста миллиардных долей метра. Ее цель — изготовление различных наноструктур или манипуляция ими. Для этого используются эффекты и феномены, которые очевидны лишь на атомарном и молекулярном уровнях.

Особенно ярко проявляются любые поверхностные эффекты. Если в мире макрообъектов многое определено их объемом, то здесь все более важными становятся именно свойства поверхности наноструктур, где и расположена большая часть атомов, составляющих их. Допустим, мы возьмем частицу диаметром 30 нанометров — лишь около пяти процентов ее атомов пребывают на поверхности частицы. Если уменьшить ее размер до 10 нанометров, то уже 20 процентов атомов находится на ее поверхности, а у частицы диаметром в один нанометр там оказывается половина всех атомов. По этой причине макрообъекты и наночастицы, изготовленные из одного и того же материала, обладают разными физическими свойствами. У последних заметно выше твердость и электропроводность, а вот температура их плавления на несколько сотен градусов ниже, чем у традиционных порошковых металлов. Или такой пример: крупицы диоксида титана рассеивают видимый свет, а наночастицы пропускают его, словно они из стекла, но зато поглощают ультрафиолетовый свет. Они представляют собой идеальный фильтр для защиты от вредного излучения.

Другая особенность заключается в том, что поведение всех структур диаметром менее 50 нанометров обусловлено, скорее, законами квантовой, нежели классической, физики. Мы покидаем территорию традиционной науки и переносимся туда, где нас подстерегает что-то неопределенное и зыбкое. Например, здесь наблюдается туннельный эффект. Благодаря ему электронам с определенной долей вероятности удается преодолевать различные барьеры — допустим, зазор, разделяющий металлическую поверхность и наконечник растрового туннельного микроскопа (более точная формулировка этого эффекта такова: «туннельный эффект — это преодоление микрочастицей потенциального барьера в том случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера». — А.В.). Кстати, с помощью того же растрового микроскопа можно не только наблюдать за отдельными атомами, но и манипулировать ими — перемещать их, формируя из них более сложные структуры.

По прошествии двух десятилетий нанотехнология превратилась в очень перспективную отрасль промышленности. Инвестиции в нее исчисляются миллиардами долларов. Все «нано» нынче в моде — от Калифорнии до Камчатки. Все чаще производители сообщают, что при изготовлении их продукции «использованы новейшие нанотехнологии». Это замечание сразу выделяет их товары из потока других, произведенных по старинке. Правда, некоторые из лаков и полимеров, содержащих высокодисперсные добавки, успешно продаются вот уже лет 30 — 40, и лишь в последние годы они стали именоваться «наноизделиями», поскольку это повышает объем продаж.

«Искусство орнамента» в мире нанотехнологии: структура содержит атомы серы и меди

Ну, а путь к созданию «машин Дрекслера» оказался куда более долгим, чем полагал футуролог, уверявший, что к 2020 году будет развернута промышленная сборка наномашин. Многие специалисты вообще сомневаются в том, что его видения когда-нибудь воплотятся в жизнь. Правда, по страницам книг и журналов все еще блуждают призраки нанороботов, собранных из одной-другой тысячи атомов. Иные из них курсируют по кровеносным сосудам человека в поисках раковых клеток или возбудителей заболеваний, которых они же и уничтожат немедленно. На самом деле, до появления подобной флотилии, высадившейся внутри организма, еще далеко.

Зато Дрекслер и другие «гуру» нанотехнологии правы в другом: со временем их любимая технология найдет повсеместное применение. Техника становится все миниатюрнее, а потому не нужно быть и пророком, чтобы предположить, какое развитие получит нанотехнология. Она поистине будет играть ключевую роль в медицине, технике, энергетике, позволит создать более эффективные компьютерные системы, бережнее использовать природные ресурсы, успешнее бороться с болезнями. Нанотехнология проникает в нашу жизнь постепенно, исподволь вытесняя из обихода привычные прежде предметы. Как ни радикальна эта научно-техническая отрасль, ее вторжение в быт не приведет к решительной революции.

Каковы же сейчас подлинные успехи нанотехнологии? Где они, новые товары и материалы, которые изменят нашу жизнь? Опросы показывают, что у большинства и россиян, и жителей ЕС само слово «нанотехнология» пока еще вызывает ощущение, что речь идет о чем-то экзотическом, что, вероятно, войдет в наш обиход еще нескоро. Хотя в последнее время о нанотехнологии много говорится и пишется, мало кто ощутил на себе ее достижения. Гораздо больше людей, например, знакомы не понаслышке с продукцией биотехнологов.

Впрочем, в этом даже есть свое преимущество. Если трансгенных продуктов побаиваются многие, то о токсических свойствах наночастиц редко кто слышал. Вред, приносимый ими, еще мало изучен. Отношение к нанотехнологии пока самое положительное, но все может вскоре измениться: ведь когда-то ни атомная энергетика, ни генная инженерия тоже не вызывали никаких страхов у населения.

А знаете ли, что наша планета может когда-нибудь покрыться «серой слизью» — мириадами бесконтрольно плодящихся нанороботов? Эрик Дрекслер нарисовал эту мрачную картину около четверти века назад — другое дело, что многие авторитетные ученые отрицают такую возможность.

Но довольно о далеком и страшном!

Фольга с наночастицами защитит продукты питания от вредного излучения

На самом деле, продукция из лабораторий нанотехнологов достаточно широко входит если не в наш повседневный быт, то в обиход жителей ведущих промышленных держав, и в ближайшие годы ее ассортимент будет лишь расширяться. Нанотехнология объединяет самые разные направления исследований в области полупроводниковой физики и физики поверхностных сред, химии и информатики, медицины и генетики, машиностроения и даже пищевой промышленности. Так что ее вполне заслуженно называют «конвергентной технологией»: ведь здесь сходятся интересы сразу нескольких наук. «Нанотехнология — это плавильный тигель», — так охарактеризовал эту науку нобелевский лауреат по физике Клаус фон Клитцинг. Вглядимся же в то, что бурлит в этом тигле.

Еще в начале 1990-х годов ученые добились заметных успехов в конструировании новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Для этого они встраивали в обычные материалы наночастицы, содержавшие от нескольких сотен до тысяч атомов. Пусть эта практика и была далека от картин, начертанных футурологом, она привела к созданию различных изделий, появившихся на рынке.

Так, все популярнее становятся покрытия, содержащие наночастицы. В зависимости от выбора частиц они приобретают особые свойства. Одни покрытия невозможно поцарапать, к другим не пристает грязь, третьи не смачивает вода. Подобными материалами можно покрывать фасады домов, кузова автомобилей, унитазы, оконные стекла, черепицу. Наночастицы, добавленные в автомобильный лак, придают ему упругость и твердость. Глина, в которую подмешали эти невидимые частицы, перестает растворяться в воде.

Благодаря наночастицам новые возможности открываются и в косметологии. Например, в солнцезащитные кремы теперь добавляют частицы диоксида титана размером всего 30 — 40 нанометров, чтобы защитить кожу от ультрафиолетовых лучей. Эти частицы поглощают вредные лучи или — словно зеркала атомарных размеров — отражают их, оберегая нас от солнечных ожогов и, может быть, рака кожи. Специалисты концерна BASF еще с начала девяностых годов занимаются разработкой подобных кремов.

Современные растровые микроскопы, позволившие заглянуть в наномир, показывают нам все до мельчайших деталей. Даже идеально гладкие зубы кажутся в такой микроскоп подобием лунной поверхности; они изрезаны громадными кратерами, где гнездятся рои бактерий. Выровнять «рельеф» помогут специальные пасты, содержащие наночастицы — тонкая пленка из них затянет все выбоины и трещины эмали.

Наночастицы находят широкое применение и в химической промышленности. Они — отличные катализаторы (так называют вещества, ускоряющие химические реакции). Все дело в том, что общая площадь поверхности этих частиц необычайно велика, а потому их химические свойства выражены гораздо ярче, чем у макрообъектов, изготовленных из того же вещества. Так, если мы возьмем 30 граммов порошка, состоящего из частиц диаметром 5 нанометров, то их общая площадь поверхности примерно равна площади футбольного поля. И вдоль всего этого «поля» одно вещество вступает в реакцию с другим. А прикиньте, как мала площадь поверхности металлического шарика, весящего те же 30 граммов! И химическая реакция протекает на этот раз очень медленно.

В рентгеновских телескопах, кружащих на околоземной орбите, тоже используются наноматериалы. Поверхность подобных приборов должна состоять из нескольких очень гладких слоев толщиной не более 20 нанометров — это примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Лишь такие зеркала могут в достаточном количестве отражать коротковолновое излучение.

Фирма Nano Horizons разработала даже наноноски, которые содержат крупицы серебра диаметром 30 нанометров. Эти крупицы убивают бактерии, а потому чудо-носки не пахнут потом. Приятно сесть в них у окна, положить ноги на подоконник и смотреть, как капли дождя скатываются по стеклу, подчистую смывая грязь и пыль, если, конечно, на него наклеено покрытие из наночастиц.

Вот и любители гольфа уповают на новую научную дисциплину. Американская компания Nano Dynamics выпустила мячи для игры в гольф, которые — благодаря слою из наночастиц — могут сами корректировать траекторию полета.

Впрочем, иногда приставку «нано» можно встретить даже в рекламе товаров, не имеющих ничего общего с нанотехнологией. Для их производителей это — лишь модное слово, и ничего другого. Оно позволяет привлечь и дополнительные инвестиции, и новых клиентов.

Вот так в 1970-е годы были модными приставка «микро-» (например, Microsoft), а в 1990-е годы — слово «электронная» (в английском языке в это время появляются такие термины, понятные без перевода, как eBanking, eGovernment, eBusiness).

В какой же мере российские нанотехнологии окажутся лишь удобным способом «распилить» бюджетные деньги? А в какой — подлинным технологическим прорывом? Что они принесут? Шумный успех? Или много шума из ничего?

Нанотрубки отличаются необычными свойствами

В 1991 году физик японского концерна NEC Сумио Иидзима, проводя эксперименты, по чистой случайности открыл углеродные нанотрубки, или нанотубы (англ. «nanotube») — длинные, узкие молекулы цилиндрической формы. Длина их достигала нескольких микронов и даже миллиметров, а ширина — всего одного нанометра.

Итак, нанотрубки — это еще одна структурная форма углерода, наряду с алмазом, графитом и фуллеренами (см. «З—С», 10/06). Они отличаются рядом необычных свойств, благодаря которым их можно использовать для монтажа микросхем, создания дисплеев или миниатюрных машин. Так, они великолепно проводят и тепло, и электрический ток — лучше, чем, например, медь. Кроме того, они очень прочны. Их предел прочности на разрыв выше, чем у любого другого материала; они в сотни раз прочнее, чем сталь. С появлением этого необычного материала ученые всерьез задумались о такой фантастической идее, как космический лифт (см. «З—С», 4/07).

Атомы углерода в нанотрубках соединены в виде шестиугольников, и в зависимости от их расположения эти трубки могут обладать свойствами изолятора, полупроводника или такого же хорошего — нет, лучше! — проводника, как медь. На их основе можно изготавливать компьютерные микросхемы. Так, если кремниевые транзисторы содержат несколько миллионов атомов, то углеродные нанотрубки — всего несколько сотен. Они гораздо меньше традиционных схемных элементов и значительно дешевле их.

Проблема же в том, что при изготовлении нанотрубок мы не получаем, так сказать, «стандартных, унифицированных деталей» — образуется россыпь разносортных трубок, обладающих самыми разными электрическими свойствами. Однако этот «клубок» можно распутать. Так, Марк Велланд из Кембриджского университета, нагревая вместе с никелем колонны из фуллеренов — молекул в виде футбольного мяча, состоящих из 60 атомов углерода, — получил нанотрубки, обладавшие магнитными

свойствами. Оказавшись в магнитном поле, они располагались строго параллельно друг другу. Так нанотрубки образовали своеобразные кристаллы, представлявшие собой пучок углеродных трубок — любая из них обладала схожими свойствами.

Исследователи из Техасского университета разработали метод изготовления очень легких, прозрачных пленок, содержащих нанотрубки. Стоит пропустить по ним электрический ток, как они начинают светиться поляризованным светом. Нанотрубки можно использовать и для подсветки плоских телевизионных экранов.

Из них изготавливают также искусственные мышцы. Если изменить величину поданного напряжения всего на несколько вольт, нанотрубки растянутся или сожмутся.

При создании жестских дисков используются наноэффекты

«Тысяченожка» снабжена тысячами тончайших игл-перфораторов

Мы живем в информационном обществе. С появлением ноутбуков стало возможным проводить презентации и пресс-конференции в любой точке мира. Всюду доступен Интернет. Объемы информации, перекачиваемые по глобальным сетям, стремительно растут. Непрестанно меняется цифровая техника. Новейшие модели мобильных телефонов или видеокамер по объему памяти превосходят прежние модели ПК.

Все это произошло благодаря миниатюризации электроники. Если первая компьютерная микросхема, разработанная фирмой Intel в 1971 году, содержала 2300 транзисторов, то сейчас на схемах новейшего поколения могут разместиться многие сотни миллионов элементов. Величина самих микросхем при этом почти не изменилась, а вот транзисторы и другие схемные элементы невероятно уменьшились в размерах.

Еще в 1964 году эту тенденцию предсказал основатель компании Intel Гордон Мур. Согласно названному его именем «закону Мура», количество транзисторов, размещенных на микросхеме, удваивается раз в полтора года. На протяжении четырех десятилетий этот закон неизменно выполнялся — благодаря изощренным изобретениям, позволявшим вновь и вновь уменьшать размеры деталей. Десятки слоев, содержащих те же транзисторы и конденсаторы, располагались один над другим. Достигалось это путем термовакуумного напыления, экспонирования, травления.

Все это время главным материалом микроэлектроники оставался кремний. Размеры схемных элементов, изготавливаемых из него, давно уже исчисляются в нанометрах, хотя они и получены традиционным литографическим способом. Например, длина транзисторов сейчас достигает 65 нанометров, а, по прогнозам специалистов, к 2015 году уменьшится до 22 нанометров.

Это достижение будет означать одновременно и «крах надежд»: ведь добиться дальнейшего уменьшения микросхем, используя современные технологии и материалы, невозможно. Время кремниевой электроники близится к концу. Элементы микросхемы станут настолько малы, что их надежной работе помешают квантовые феномены — прежде всего туннельный эффект. Электроны поведут себя как им заблагорассудится. Любые слои изоляции окажутся бесполезны — электроны будут перемахивать через них с легкостью мальчишек, перепрыгивающих барьеры.

Итак, законы квантовой физики ставят предел использованию традиционных полупроводниковых элементов, да и изготавливать их традиционным способом будет уже нельзя. Выручить может феномен, хорошо известный в квантовом мире. Он называется «самоорганизацией». Молекулы и атомы могут сами образовывать различные структуры — достаточно подать им сигнал — например, поместить хаотическое скопление атомов в электрическое или магнитное поле. И тогда они быстро сгруппируются, превращаясь в миллиарды элементов, которые можно использовать как транзисторы или запоминающие устройства. Впрочем, пока еще ученые недостаточно понимают процессы, ведущие к самоорганизации, а потому не могут ими управлять.

Наночастицы оксида железа используют для «точечной бомбардировки» раковой опухоли

Переход к наноэлектронике требует появления новых идей и концепций, разработки новых промышленных методов и материалов. В различных лабораториях мира работают над созданием первых опытных образцов наноэлектронных элементов. Уже есть кандидат, готовый потеснить кремний или даже заменить его: те самые углеродные нанотрубки. Они очень компактно размещаются на микросхемах. Их сопротивление в двадцать раз меньше, чем кремниевых элементов, а потому во время работы они почти не нагреваются. Они могут выдержать даже силу тока в двести раз выше, чем современные транзисторы. Их теплопроводность также высока, а потому они будут не только выполнять вычислительные операции, но и отводить избыточное тепло.

В 2003 году сотрудники компании Infineon — их работой руководил Франц Кройпль — впервые сумели создать надежно работающий транзистор из нанотрубок. Его проводящий слой состоял из трехсот параллельно расположенных трубочек. Осенью следующего года сотрудникам той же компании удалось изготовить транзистор из нанотрубок, который оказался всего на четверть больше самого маленького из современных транзисторов.

Другое направление работ в микроэлектронике — создание новейших интегральных схем памяти. В лаборатории IBM, под Цюрихом, было придумано, например, устройство под названием Millipede («Тысяченожка»). Оно напоминает туннельный микроскоп и снабжено несколькими тысячами тончайших игл-перфораторов. При подаче электрического напряжения оно пробивает в пластмассовой плате отверстия диаметром всего несколько нанометров или заглаживает их. Таким образом, можно до ста тысяч раз стирать и заново записывать информацию на эту плату.

Разрабатывая новые методы борьбы с раком, ученые опять же делают ставку на наночастицы — на этот раз частицы сильнодействующих лекарств. Их доставят к очагу заболевания специально собранные капсулы. Передвигаясь по кровеносным сосудам, эти миниатюрные «подводные лодки», как их шутливо прозвали, будут выискивать клетки опухоли и, цепляясь за их рецепторы, причаливать к ним, чтобы проникнуть сквозь мембрану внутрь клетки. Там их оболочка распадется, и наночастицы, словно яд, начнут отравлять клетку изнутри.

Пока подобные медикаменты находятся еще в стадии разработки и исследований. Ведь рецепторы раковых клеток разнятся, и нужно придумать особые целебные молекулы для любой разновидности рака. К тому же их оснастка должна быть такой, чтобы они случаем не внедрились в здоровую ткань организма. И все же эксперты уверены в том, что уже в следующем десятилетии эти нанороботы — кареты или катера «скорой помощи» длиной всего в несколько нанометров — будут применяться для борьбы с опухолями головного мозга, которые невозможно удалить хирургическим путем.

Кстати, некоторые лекарственные средства, способные воздействовать на раковые опухоли, можно изготавливать только в виде наночастиц, поскольку в обычном виде они почти не растворимы в крови — остаются в ней инородным телом. На их основе нельзя приготовить лекарство. Однако если то же самое вещество будет состоять из частиц размером в сотню нанометров, то его растворимость заметно повысится. Причина опять же в том, что общая площадь поверхности этих частиц очень велика, а потому значительно возрастает и площадь их соприкосновения с молекулами крови.

Первые лекарственные препараты, использующие этот эффект, уже допущены к применению.

Еще один метод борьбы с раком тоже скоро войдет в обиход. Капсулы из биомолекул начиняются наночастицами оксида железа для «точечной бомбардировки» ими раковой опухоли. Эти металлические частицы оседают на злокачественном образовании, очерчивая его, словно железные опилки — спрятанный под бумагой магнит. Последний помянут здесь не случайно. Теперь пациент должен пройти курс магнитной терапии. Под действием переменного магнитного поля наночастицы начинают вибрировать, выделяя при этом столько тепла, что клетки опухоли гибнут. Ведь при нагревании они отмирают при более низких температурах, нежели здоровые клетки.

По оценкам специалистов, потенциал у нового метода борьбы с раком так же велик, как у лучевой терапии. Подобным способом можно лечить от злокачественных опухолей даже те органы тела, для которых была не применима традиционная химиотерапия. Побочные воздействия пока не выявлены. Кроме того, ведется разработка и специальных молекул, которые займутся поиском метастаз.

С помощью наночастиц можно обнаруживать и воспалительные бляшки, образовавшиеся в кровеносных сосудах. Эти отложения, напоминающие зубную пасту, которую выдавили из тюбика и оставили на воздухе на пару часов, могут вызвать у человека инфаркт или инсульт. Прежде их обнаруживали с помощью катетера. Однако в ближайшее время на помощь придет магнитно-резонансная томография — опять же благодаря крохотным частицам железа, которые в тысячу раз меньше красных кровяных телец. Врач будет вводить эти частицы, упрятанные в оболочку из лимонной кислоты, в организм пациента. Циркулируя вместе с кровью, они станут оседать на бляшках. Вот теперь томограф заметит их. Застрявшие наночастицы проступят на экране черными пятнами.

Итак, нанотехнология вполне применима для ранней диагностики и терапии многих заболеваний, прежде всего онкологических. По прогнозам специалистов, к 2015 году все виды раковых заболеваний можно будет лечить с помощью наночастиц, введенных путем инъекции. К 2025 году нанолекарства уже ничем не будут отличаться от обычных медикаментов: таблетки с ними можно будет глотать, как и другие препараты. К 2050 году появятся простейшие наномашины, собранные из биологических элементов. Они станут выискивать больные клетки — это значительно повысит диагностические возможности медицины.

Вообще говоря, наномир — это мир удивительных машин. Попробуем же заглянуть в этот необычный автомир, в незримый космос автоматов.

Длина этого «автомобиля» всего пять нанометров

Уже сейчас ряд исследователей — например, группа под руководством Алекса Зеттла из Берклийского университета — работают над созданием первых наномашин. Зеттл называет свои модели «наноэлектромеханическими системами» (НЭМС).

• Так, в 2003 году он придумал «наноротор». Тот представлял собой кремниевую пластинку, надетую на ось, — ею служила углеродная нанотрубка. Ось располагалась между двумя электродами. При подаче на них напряжения пластинка вращалась.

• В начале 2007 года Зеттл продемонстрировал резонатор, который состоял из нескольких нанотрубок, вставленных одна в другую и выдвигавшихся, как антенна, — от этого менялась частота колебаний. Со временем нанорезонаторы можно будет использовать в беспроводных приборах связи, ведь они позволяют добиться очень высокой частоты колебаний при минимальном потреблении тока. А чем выше частота сигнала, тем больше цифровой информации можно передать с его помощью.

Зеттл убежден в том, что из опытных образцов НЭМС можно конструировать и более сложные машины. Правда, пока их нельзя собирать «атом к атому», как мечтал Дрекслер. И все же его идеи вдохновляют таких изобретателей, как Зеттл.

• В американском университете Райса создали автомобиль длиной всего пять нанометров. Он состоит из атомов углерода, которые образуют одну-единственную молекулу. На сооружение шасси и осей ушло 82 атома, причем при комнатной температуре они могут свободно вращаться. Колесами служат фуллерены — сферические молекулы, состоящие из шестидесяти атомов углерода. Двигатель собран из еще одной углеродной структуры, которая вращается при попадании на нее лучей света. Усилие на колеса передают углеродные цепи. Подобные машины могут найти применение при строительстве более сложных наноагрегатов.

Разумеется, монтаж конструкций из отдельных атомов и молекул чрезвычайно труден, поэтому сообщение о всяком удачном эксперименте находит отклик в печати. Там прошли испытания первого миниатюрного мотора, собранного из отдельных молекул. Там из отдельных атомов углерода собран чуть ли не транспорт для «маленьких зеленых человечков»...

Еще один вариант проектирования молекулярных машин уже довольно близок к тому, о чем мечтал Дрекслер. Речь идет о совсем молодой научной дисциплине — о синтетической биологии (см. «З—С», 11/07). В основе ее лежит следующий принцип: любые микроорганизмы можно рассматривать как грандиозные комплексы наномашин. Эти машины доказывают свою эффективность на протяжении уже почти четырех миллиардов лет. Так почему бы не населить микромир искусственными объектами, созданными по образцам, которые запатентовала сама жизнь?

Специалисты по синтетической биологии меняют последовательность генов отдельных бактерий, благодаря чему те начинают синтезировать протеины, не предусмотренные в природе. Биологи в данном случае поступают, как радиолюбители, которые, купив в магазине какие-нибудь резисторы, транзисторы, тумблеры, собирают из них свои модели, более или менее отличающиеся от стандартных аппаратов. Вот так из отдельных биологических элементов можно конструировать уникальные микроорганизмы, которые будут заниматься обработкой информации, изготовлением наноматериалов или медицинской диагностикой, например, поиском злокачественных клеток.

Одна из лучших машин, созданных природой, — рибосома. Она занимается считыванием «инструкций» по сборке различных протеинов (они записаны в генетическом коде), а также самой сборкой. Можно запретить или, наоборот, разрешить рибосоме считывать тот или иной ген, а для этого ввести в клетку переключатель, составленный, например, из отдельных ветвей РНК. По идее, подобные тумблеры могли бы препятствовать развитию рака, автоматически переключаясь, как только будут замечены молекулы, характерные для злокачественных клеток. Тогда стихает всякая активность генов, и здоровая клетка не перерождается в опухолевую.

«Эволюции потребовались миллиарды лет, чтобы совершить путь от самых крохотных структур до таких макроскопических систем, как человек. Ученые всего за несколько десятков лет вернулись назад, к самым крохотным частицам вещества», — так выглядят последние тенденции в мировой науке. В конце этого пути нас ждут наномашины, которые примутся работать среди атомов и молекул, — машины, без которых нам отныне не обойтись. Все это возможно!

Успехи ученых и инженеров, проводящих опыты с наноструктурами, неоспоримы. Осваивая окружающее нас пространство, мы не только выбрались в космическую даль и заглянули за миллиарды световых лет от Земли, но и сумели проникнуть туда, где держат свой путь атомы, и с помощью наших приборов начали манипулировать ими. Предел пока не достигнут. «Как много места там внизу!» — все так же, как и полвека назад, восклицают ученые, приглашая нас проникнуть в загадочный наномир — туда, где даже микроны кажутся дистанциями огромного размера.

Рафаил Нудельман

Фантастическая практичность

Слово «нанотехнология» на устах у всех. И не случайно. Во-первых, оно поражает воображение: нано — это миллиардная доля метра, и тем не менее сегодняшняя наука уже в силах заглянуть в эти глубины и даже указать реальные пути к использованию открывающихся там возможностей. А возможности воистину фантастические — и это вторая причина популярности нанотехнологии. Достаточно сказать, что она в принципе делает возможным, например, создание метаматериалов, обеспечивающих полную невидимость любых предметов, или квантовых компьютеров, способных работать, как полагают специалисты, с неслыханной доселе скоростью и мощностью, или тех углеродных нанотрубок, из которых можно будет сплести, как уже сейчас стараются, сверхпрочный канат для космического лифта с Земли до Луны.

Я чувствую, однако, что некоторые нетерпеливые читатели сетуют: мол, чем громоздить кучу всех этих звонких и непонятных слов во славу нанотехнологии, лучше б на каком-нибудь, желательно простом, примере конкретно показать, каким образом упомянутое содружество науки и техники делает реальными все эти фантастические наночудеса. Так вот именно это я и намерен сделать на конкретном примере того открытия, за которое двум выдающимся ученым, Альберту Ферту из Франции и Петеру Грюнбергу из Германии, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2007 год[* Краткое сообщение об этом появилось еще в «З-С» № 1 за этот год.].

Это открытие имеет прямое отношение к заявленной здесь теме, о чем авторитетно свидетельствует хотя бы решение Нобелевского комитета, где прямо говорится, что работа Ферта и Грюнберга привела к таким техническим результатам, которые «могут рассматриваться как одно из первых крупных достижений нанотехнологии». И в то же время это открытие как раз таково, что его фантастичность, с одной стороны, и величайшее практическое значение, с другой, сразу понятны всем, даже без долгих разъяснений. Ибо речь идет об открытии эффекта, сделавшего возможным создание тех жестких дисков емкостью в терабайты (тысячи гигабайтов), на которых работают все современные компьютеры. Думается, к этому ничего больше добавлять не надо. Понимающему — достаточно. Sapienti — sat.

Эффект, открытый Фертом и Грюнбергом, называется довольно просто: «Гигантская магниторезистентность (ГМР)», что сокращенно означает «гигантский ответ электрического сопротивления на самые небольшие изменения магнитного поля». Здесь опять «понимающему—достаточно», ибо, как многим известно, информация, с которой мы работаем в наших компьютерах, записывается в них на жесткий диск с помощью намагничивания. Сначала вся эта информация (в виде слова, звука или изображения) превращается в так называемую дигитальную форму, то есть в последовательность нулей и единиц, а потом специальное устройство превращает ее в последовательность по-разному намагниченных микроячеек на жестком металлическом диске, покрытом ферромагнитным материалом. Скажем, все ячейки, в которых намагниченность имеет такое-то направление, — это «нули», а все ячейки, в которых другое, — это «единицы».

Чтобы прочесть записанную таким манером информацию, нужна специальная микроголовка, которая проходила бы над каждой такой (затребованной нами) ячейкой диска и реагировала бы на величину намагниченности этой ячейки. Не будем вдаваться в тонкости той электроники и механики, которая управляет почти «мгновенным» (порядка 10 миллисекунд) нахождением требуемого участка на диске, перемещением туда считывающей головки, считыванием всех нужных ячеек и передачей считанной информации в оперативную память. В удивительном по тонкости технологическом комплексе главную роль играет все-таки сама считывающая головка, ибо без нее вся эта электроника и механика ни к чему; ею и займемся.

В первых компьютерах считываю - щая головка работала на основе известного всем явления электромагнитной индукции (меняющееся — при проползании диска под головкой — магнитное поле ячеек вызывало переменное электрическое поле в самой головке). Этот метод был очень груб, и его вскоре заменили так называемым «магниторезистивным методом (МР)». Явление магниторезистивности открыл еще в 1857 году английский физик лорд Кельвин — тот, в чью честь названа абсолютная шкала температур. Он обнаружил, что электрическое сопротивление проводника уменьшается (а ток в нем соответственно увеличивается), если на проводник действует внешнее магнитное поле, силовые линии которого идут в том же направлении, что и ток. Если же поле перпендикулярно току, сопротивление, наоборот, увеличивается (а ток соответственно уменьшается).

Это явление получило название «анизотропная (зависящая от направления) магниторезистентность», сокращенно МР. Легко понять, что когда считывающая головка с идущим в ней током проходит над намагниченным диском, каждая ячейка такого диска играет для головки роль внешнего магнитного поля. И поскольку от одной ячейки к другой направление этого поля (намагниченность ячейки) меняется («единицы» и «нули» чередуются в какой-то последовательности), будет меняться — в силу эффекта Кельвина — также электрическое сопротивление головки, а, следовательно, и величина тока. Эти колебания тока можно превратить вновь в слова, звуки и изображения, тем самым «прочитав» затребованную информацию.

Петер Грюнберг и Альберт Ферт

Альберт Ферт и его коллега из России

Увы, с течением времени аппетиты компьютерных пользователей росли, и возникла необходимость размещать на диске не кило- и даже не мега-, а гигабайты информации, и к тому же при минимально возможных размерах самого диска, чтобы он умещался в небольших, но весьма важных и нужных компьютерных приборах вроде лэптопа или эм-пэ-три. А оба эти требования могли быть удовлетворены только одним способом — максимальным уменьшением размеров каждой «дигитальной ячейки» на диске. Но при очень малом размере ячейки ее общая намагниченность тоже становится очень малой, и тогда различие между намагниченностями двух соседних ячеек становится практически невозможно уловить — эффект МР не имеет для этого достаточной чувствительности. При таких малых изменениях внешнего магнитного поля изменения тока в считывающей головке становятся неотличимы от случайного «шума».

На протяжении ряда лет физики в разных странах пытались повысить чувствительность метода МР, но все эти попытки были безуспешны, и, как стало ясно впоследствии, иначе быть не могло, потому что такое повышение требовало перехода от МР к иному, принципиально новому методу считывания, а это — что-то вроде перехода от винтовой тяги к реактивной. Как показали в своих экспериментах Ферт и Грюнберг, хотя желанный сверхчувствительный метод существует, но проявляется он только при особых условиях, особом устройстве считывающей головки, когда она имеет вид «сэндвича», между двумя ферромагнитными слоями которого имеется тончайшая — нанометровая! — прослойка другого, не магнитного металла. Действительно, когда в 1988 году, после многих лет поисков, Ферт и Грюнберг пришли к такой структуре и уменьшили толщину хромовой прослойки между двумя слоями железа до 9 нанометров (толщина трех атомов хрома!), их система отреагировала на небольшое изменение внешнего магнитного поля гигантским в сравнении с «кельвиновскими» головками изменением сопротивления — на 6% в опытах Грюнберга и на целых 50% (!) в опытах Ферта. Это открытие положило начало новой эре в электронике.

Сегодня подобраны уже и такие пары материалов для слоев и прослойки, которые дают скачок сопротивления и тока даже на 150 — 200%, а для определенных веществ — и на 1000% (этот последний эффект получил название «колоссальной магниторезистентности», но пока применять его в компьютерном деле оказалось невозможно из-за большой неустойчивости результатов). Но за Фертом и Грюнбергом по-прежнему остается пальма первенства революционного прорыва. При этом они не только открыли этот эффект, но и осознали его как новый, не похожий на эффект Кельвина (Грюнберг даже сразу запатентовал его). И это тоже было очень важно, потому что аналогичные эффекты наблюдали и некоторые другие исследователи, но те приняли их за ошибку измерения.

Следует, однако, заметить, что открытие Ферта — Грюнберга, несмотря на осознание всей его новизны и значения, тоже не сразу произвело практический переворот в компьютерной технике. Этим переворотом, которым мы так широко и благодарно пользуемся сегодня, мы обязаны двум группам ученых из лабораторий фирмы IBM под руководством Стюарта Паркина и Брюса Гурнея. Они на протяжении последующих десяти лет провели десятки тысяч (!) исследований различных пар материалов, толщин прослоек, условий считывания и тому подобное, открыли по пути важные закономерности нового эффекта и нашли оптимальные практические параметры для будущих считывающих головок (которые получили название «спин-клапаны»). Только в результате всей этой огромной серии научнотехнологических исследований фирме IBM удалось в 1998 году выйти на рынок с новым жестким диском феноменальной для того времени емкости — 16,8 гигабайт. Именно этим годом следует датировать ту революцию в компьютерной технике, которая продолжается и поныне.

Теперь, когда пожелания читателей, жаждавших конкретного примера нанотехнологических чудес, надеюсь, удовлетворены, остается еще сущий пустяк — объяснить, почему же в нанометровом «сэндвиче», в отличие от сплошного куска проводника, появляется чудодейственный эффект ГМР; какую роль в этом играет тот факт, что прослойка «сэндвича» именно нанометровая, и какое отношение ко всему этому имеет загадочный термин «спин»? Это объяснение требует прежде всего присмотреться, что происходит в проводнике, когда по нему идет электрический ток. Ток — это поток электронов, которые в металле обобществлены, «принадлежат» всему куску металла сразу. Они плывут под действием электрического напряжения в какую-то сторону, то и дело встречая на пути атомы металла, стоящие в узлах кристаллической решетки и сталкиваясь с ними.

Если металл — ферромагнетик, вроде железа, то его атомы имеют особые магнитные свойства: каждый атом подобен магнитной стрелке компаса, которая глядит в определенном направлении. Электроны же, как это было установлено еще лет сто назад, тоже имеют магнитные свойства и тоже подобны магнитным стрелкам, только крохотным, и эта их стрелка, попав в любое внешнее магнитного поле, способна устанавливаться, как показали исследования, в двух и только в двух направлениях — по линиям этого поля или против них. Вот эту особую электронную магнитную стрелку и называют «спин». Вообще-то магнитные свойства есть и у многих других микрочастиц, и у всех они называются «спин», но у каждой он свой. Электронный «спин», то есть электронный магнитик, отличается как раз тем, что имеет, как уже сказано, только две возможные ориентации (их иногда обозначают словами «ап» и «даун» по английским словам «вверх» и «вниз»).

Двигаясь в кристаллической решетке в виде тока и сталкиваясь, как мы говорили, с атомами решетки, отдельные электроны то и дело рассеиваются в стороны. Это рассеивание электронов и есть сопротивление току. Но при этом происходит еще одно интересное явление. Так как электрон, приближаясь к атому, испытывает воздействие его магнитного поля, электронный спин каким-то образом ориентируется относительно этого поля. Оказывается, летя дальше, этот рассеянный электрон может передать свою ориентацию какому-нибудь другому атому решетки и в результате ориентировать его магнитное поле параллельно полю первого атома. Это параллельное выстраивание атомных полей именуется «магнитным спариванием», и, как мы видим, важнейшую роль в нем играют электроны, потому что именно они передают магнитное воздействие от атома к атому.

Оказывается — и именно это открыли Ферт и Грюнберг, — электроны способны передавать такое магнитное воздействие не только от атома к атому, но и от целого слоя ферромагнетика к другому слою. Благодаря этой передаче магнитное поле одного слоя может сориентироваться параллельно магнитному полю другого. Чтобы получить этот эффект, нужно два слоя ферромагнетика разделить прослойкой какого-нибудь неферромагнитного металла. Тогда можно намагнитить один слой как целое в одном направлении, а другой — в противоположном. Если потом пропустить по всему этому «сэндвичу» ток, то электроны в ходе своего движения начнут переходить из одного слоя в другой и очень быстро сделают их намагниченности параллельными, то есть произведут магнитное спаривание слоев.

Рисунки Н. Ершова

Нужно, однако, оговориться, что такое спаривание произойдет лишь в том случае, если электроны смогут достаточно легко проходить через прослойку, а это требует, чтобы ее кристаллическая решетка была достаточно близка к кристаллической решетке ферромагнетика. Таким сходством обладают, например, железо и хром: решетки у обоих простые кубические, а расстояния между атомами железа в его решетке примерно такое же, как между атомами хрома в его решетке. Но есть и второе ограничение. Толщина прослойки должна быть достаточно малой, потому что в противном случае электроны рассеются на атомах самой прослойки и не передадут во второй слой никакого воздействия от первого. Это условие выполнится, если толщина прослойки будет меньше длины свободного (без рассеивания) пробега электронов. А это значит, что прослойка должна иметь толщину не больше, чем несколько (2—3) атомных слоев, то есть быть нанометровой.

При выполнении обоих этих требований магнитное спаривание двух слоев «сэндвича» произойдет, и оказывается, что именно это тотчас вызывает появление желанного эффекта ГМР. Чтобы убедиться в этом, представим себе, что сначала два слоя нашего «сэндвича» намагничены в противоположных направлениях. Поскольку у электронов есть «спин», то есть своя магнитная стрелка, они в каждом слое разделяются на две группы: те, у которых спин (магнитная стрелка) имеет направление «ап», то есть параллелен намагниченности данного слоя, и те, у которых он «даун», то есть антипараллелен. Соответственно и электрический ток в каждом слое разделится на два тока — ток ап-электронов и ток даун-электронов. Так как атомы будут по-разному рассеивать электроны каждой из групп, сопротивление слоя прохождению аптока и даун-тока будет разное. Полное сопротивление слоя будет складываться из этих двух сопротивлений.

А суммарное сопротивление всего «сэндвича» легко подсчитать по школьным формулам сопротивления системы двух параллельных проводников.

Теперь посмотрим, что получится, если мы начнем протягивать наш «сэндвич» над какой-нибудь ячейкой жесткого компьютерного диска. Такая ячейка, как мы говорили в самом начале, имеет некоторую небольшую намагниченность. Поэтому она будет играть роль внешнего магнитного поля по отношению к обоим ферромагнитным слоям. Это внешнее поле прежде всего заставит весь первый, ближайший к нему слой намагнититься в параллельном ему направлении. Затем с помощью электронов, проходящих через прослойку, произойдет магнитное спаривание слоев, и второй, дальний слой установится параллельно первому. Но вот какая штука — оказывается, это изменение ориентации, вызванное магнитным спариванием, немедленно вызовет изменение суммарного сопротивления.

Дело в том, что в исходном состоянии ап-электрон, переходивший из первого слоя во второй, становился там, понятно, даун-электроном, а теперь он так и останется ап-электроном. И то же произойдет с даун-электроном, переходящим из первого слоя во второй. А подсчет по тем же школьным формулам немедленно показывает, что эта новая ситуация изменяет полное сопротивление каждого слоя ап- и даун-токам в нем, а значит — и суммарное сопротивление всей системы в целом по сравнению с тем случаем, когда слои были намагничены противоположно. Тот, кто потрудится произвести эти несложные расчеты, легко убедится, что это изменение сопротивления будет тем больше, чем больше разница в сопротивлении ферромагнетика прохождению ап- и даун-токов (точнее, квадрату этой разницы).

Как показали эксперименты Ферта — Грюнберга, эта «ап-даун»-разница, при всей ее небольшой величине, тем не менее приводит к тому, что прохождения «сэндвича» даже над микроскопической ячейкой диска с ее ничтожным магнитным полем достаточно, чтобы вызвать в этом «сэндвиче» огромное изменение сопротивления, то есть ГМР. Как мы видели, необходимым условием появления этого ГМР является наличие нанометровой прослойки, то есть эффект действительно имеет нанофизическую природу. А поскольку главную роль в его появлении играет «магнитное спаривание» слоев, разделенных этой прослойкой, и поскольку это «спаривание» вызывается наличием у электронов «спина» с его двумя возможностями ориентации, весь такой «сэндвич» получил в IBM название «спин-клапана», а вся новая электронная техника, основанная на таких клапанах, — название «спинтроники».

Несмотря на молодость, на счету спинтроники есть выдающиеся открытия, сделанные уже после создания жестких дисков на основе ГМР. Одним из самых недавних таких открытий является обнаружение эффекта «магнитного спаривания» в «сэндвичах» не с металлической, а с полупроводниковой прослойкой. Оказалось, что и здесь влияние одного магнитного слоя на другой передается с помощью электронов, только проходят они из слоя в слой не обычным путем, как в случае металлической прослойки, а с помощью особого квантового эффекта, именуемого «туннельным переходом», поэтому и сам эффект получил название «туннельной магниторезистентности», или ТМР. Этот эффект даже сильнее ГМР — например, в системе из Fe/MgO/Fe (при комнатной температуре) скачок сопротивления при прохождении над ячейкой диска оказался 200%! Не случайно сегодня считается, что дальнейшее развитие компьютерной техники пойдет, скорее, по линии ТМР, а не ГМР. Но это, разумеется, нисколько не уменьшает заслуги Ферта и Грюнберга. Ведь это именно они, открыв явление ГМР, проложили дорогу к появлению всех этих новых и многообещающих нанотехнологических чудес.

Сергей Ильин

Удивительные метаматериалы

В марте 2007 года[* В том же месяце в нашем журнале была опубликована статья «Метаматериалы Веселаго торят незримый путь». См. «З-С» № 3/2007.] в номере журнала Science появились две статьи, рассказывающие об одном и том же незаурядном достижении. Физикам из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Ксян Жанга и группе ученых из Мэрилендского университета под руководством Игоря Смолянинова удалось создать «суперлинзы», собирающие лучи света во много более узкий пучок, чем это разрешается известными законами оптической дифракции. Эти законы говорят, что с помощью света нельзя различить две точки, находящиеся ближе друг к другу, чем половина длины световой волны. Для видимого света длина волны в среднем — 560 нанометров, значит, предел разрешения — это 280 нанометров. Однако в Беркли с помощью такой «суперлинзы» сумели различить две линии, находившиеся на расстоянии 100 нанометров, а в Мэриленде различили две точки, расположенные на еще более малом расстоянии — всего 70 нанометров друг от друга.

Новые линзы — не просто диковинные физические игрушки. Расчеты показывают, что у них должны быть широчайшие области практического применения, и кое-кто уже поговаривает об очередной научно-технической «революции», которую они могут произвести. Но прежде чем говорить об этой революции, следует, наверно, объяснить, как вообще могут существовать оптические устройства, нарушающие законы оптической дифракции. Самый общий ответ на этот законный вопрос звучит следующим образом: такие устройства существуют благодаря тому, что они созданы не из обычных, природных веществ, а из весьма необычных, так называемых метаматериалов. Они обладают и другими необыкновенными оптическими свойствами. Так, например, в 2006 году группа Шурига из лаборатории профессора Дэвида Смита практически показала, что с помощью суперлинз из метаматериалов можно создать вокруг объекта покрытие, которое сделает его невидимым в лучах длинноволнового диапазона (это особенно важно для создания военных самолетов, не видимых для лучей радара, и не случайно первые, да и многие нынешние исследовательские работы по таким материалам финансировались американским министерством обороны).

Метаматериалы, применяемые для создания суперлинз и покрытий для невидимости, отличаются от природных материалов тем, что имеют отрицательный показатель преломления. Поэтому они зачастую называются также «левыми материалами» — не в том, конечно, смысле, что они добываются «левым» путем, а в том, что они нарушают обычное для электромагнитных и оптических явлений «правило правой руки». В оптике это правило, наверняка памятное многим еще из школьного курса электромагнетизма, говорит, что направления магнитного и электрического поля световой волны и ее движения расположены так же, как растопыренные большой, указательный и средний пальцы правой руки. Так вот в «левых» метаматериалах эти направления подчиняются противоположному «правилу левой руки». И вызвано это именно тем, что их коэффициент преломления имеет знак минус. В самом деле, когда свет входит из вакуума в вещество, его фазовая скорость (показывающая, сколько пиков синусоиды проходит через данную точку за секунду) уменьшается в n раз (n здесь — это показатель преломления, и если он имеет знак минус, значит, фазовая скорость направлена в противоположную обычной сторону). Поэтому правило правой руки меняется на правило левой руки. Любопытно, что групповая скорость света, то есть поток энергии, направлена по-прежнему, а значит, синусоида волны в «левом» материале как будто бы идет против движения ее энергии!

Как уже сказано, «левые» оптические материалы не существуют в природе, однако многие физики давно, уже с начала ХХ века, задавались вопросом, можно ли изготовить искусственные материалы с такими свойствами. Но основополагающую статью, на которую сейчас ссылаются все, работающие в этой быстро расширяющейся области исследований, опубликовал лишь в 1967 году (в журнале «Успехи физических наук») российский физик Виктор Веселаго. В этой статье он показал, что законы физики в принципе не противоречат существованию материалов с отрицательным коэффициентом преломления. Для этого материал должен обладать отрицательной магнитной проницаемостью и отрицательной диэлектрической постоянной материала (коэффициент преломления связан с этими его физическими характеристиками).

Поскольку коэффициент преломления характеризует, как меняется направление луча света при переходе из одной среды в другую, то обычно, входя в оптически более плотную среду (где коэффициент преломления больше, чем в предыдущей среде), луч приближается к вертикали. Но, входя в среду с отрицательным коэффициентом преломления, он, напротив, удаляется от вертикали. Поэтому вогнутая линза из «левого» материала собирает свет, а выпуклая, наоборот, его рассеивает. Простая плоская стеклянная пластинка из такого материала способна фокусировать расходящийся пучок света. Изменяется и так называемый эффект Доплера, который обычно состоит в том, что при удалении источника света длина его волны увеличивается, то есть свет «краснеет». В «левых» материалах свет при удалении источника от нас не краснеет, а голубеет.

Дэвид Смит

Меняет свой знак и излучение Черенкова, которое состоит в том, что при движении электрона в плотной среде со скоростью, большей скорости света в этой среде, возникают электромагнитные волны, которые распространяются в узком конусе, направленном вперед по движению электрона (своеобразный световой аналог той ударной звуковой волны, которая возникает в воздухе, когда самолет преодолевает звуковой барьер, то есть начинает двигаться быстрее скорости звука). В «левых» материалах этот конус должен быть направлен назад. А в самой недавней своей статье Веселаго показал также, что в «левых» материалах нарушается и принцип Ферма, согласно которому луч должен идти по кратчайшему оптическому пути.

Продолжая этот теоретический анализ «левых» материалов, британский физик Джон Пендри в 2000 году доказал, что при определенных условиях в «левых» материалах может нарушаться и закон дифракции, и потому световые лучи можно сжимать в гораздо более узкий пучок, чем в обычных материалах. Благодаря этому должно стать возможным раздельное наблюдение более близких точек, чем это разрешает дифракция. Физически это объясняется тем, что при вхождении световой волны в материал она возбуждает его атомы, и они излучают вторичные волны, причем всевозможной длины. Но в обычном материале усиливаются только волны той же длины, что и вошедшая, а все более короткие угасают, пройдя очень малое расстояние. Однако в плоской пластинке из «левого» материале — при ее достаточной тонкости и оптической однородности — эти более короткие волны могут, наоборот, взаимно усиливаться и достигать другого края пластинки. Если бы удалось вывести эти более короткие волны из пластинки без потери энергии и пропустить через обычный микроскоп, то можно было бы разглядеть как раздельные и такие точки, которые находятся на более коротких («сверхдифракционных») расстояниях, соответствующих половине длины этих затухающих волн, более коротких, чем основные.

Долгое время экспериментаторы не знали, как сделать «материал Пендри» и как вывести из него затухающие волны. Скептики начали поговаривать даже, что эти расчеты ошибочны и никаких «суперлинз» создать нельзя. Однако, начиная с работ Элефтериадиса 2001 года, стали появляться сообщения об удачных попытках; затем в 2004 году были созданы первые суперлинзы для микроволнового (дециметрового и сантиметрового) излучения; в 2005 году профессор Шалаев (тоже из лаборатории Смита) показал, как — в принципе — сделать суперлинзу для видимого света; в 2006 году Шуриг применил микроволновые суперлинзы для первого «покрывала невидимости», а в 2007 году Жанг и Смолянинов ухитрились вывести из «материала Пендри» и пропустить через обычный микроскоп также и затухающие лучи видимого света, тем самым перехитрив ограничения дифракции и для этих длин волн.

«Материал Лендри»

Каков же был их «левый» материал? Нет, не думайте, что это был какой-то сплав или хитрое химическое соединение. Поразительный «левый» материал у Ксян Жанга представлял собой искусственный композит, то есть собрание микроэлементов — тончайших (толщиной в 35 нанометров) серебряных пластинок, изогнутых в виде полуколец и собранных в концентрический слой. Рассматриваемый объект находился в центре этого слоя полуколец. У Смолянинова те же полукольца были из полимера и лежали на тончайшей золотой пленке. Точки, подлежащие рассмотрению, были нанесены прямо на внутренний слой полимера и освещались наружным светом. Свет проходил через слои полимера и возбуждал в слое золота так называемые «плазмоны» — особые, идущие по поверхности металла и быстро затухающие электромагнитные импульсы (вроде концентрических волн на воде, расходящихся от брошенного в нее камня). Эти-то плазмоны и создавали увеличенное изображение рассматриваемых точек. (Кстати, «левый» метаматериал в опытах с невидимостью тоже представлял собой аналогичный композит.)

Сложность всех этих устройств вызвана необходимостью сохранить, увеличить и вывести из «суперлинзы» затухающие сверхкороткие волны. Но есть и другие метаматериалы, имеющие другое назначение и соответственно другое устройство. Общим для всех них является то, что их свойства определяются не природой и расположением составляющих их атомов, а характером расположения целых микроскопических элементиков (вроде описанных выше полуколец и слоев), а сами эти свойства оказываются в результате необычными. Например, метаматериалы типа фотонных кристаллов — это периодически уложенные тонкие слои диэлектрика (или металлодиэлектрика), причем период их укладки составляет половину волны видимого света (то есть порядка 200 — 300 нанометров). При такой укладке слои образуют подобие трехмерной периодической решетки, на которой свет претерпевает дифракцию.

При обычной дифракции (на плоской решетке) световые волны рассеиваются во всех направлениях, но в некоторых — где разница хода между ними составляет полволны — гасят друг друга, а в некоторых — где разница хода составляет целую волну — усиливают. Оказывается, в трехмерной решетке дело обстоит иначе: есть такие длины волн — и даже целые группы длин волн, — которые гасят друг друга во всех направлениях. Поэтому, если освещать эти пакеты из периодических слоев диэлектрика любой волной из этой группы, пакеты будут со всех сторон казаться темными на просвет. Физики говорят, что эта группа световых волн образует «запрещенную фотонную зону».

Между прочим, в данном случае существует и природное вещество, которое тоже обладает такими свойствами, — это опал, полудрагоценный камень, состоящий из мельчайших (нанометровых) шариков окиси кремния с примесью молекул воды. Эти шарики в кристалле опала уложены в правильном геометрическом порядке, слой на слой, образуя такую же трехмерную решетку, как метаматериал в фотонном кристалле. В результате световые волны определенных длин (то есть того или иного цвета), пройдя через слои прозрачных шариков опала, гасят друг друга, и опал, освещенный таким цветом, кажется темным. А для другой длины волны эта же решетка дает усиление света, и освещенный этой волной опал сверкает соответствующим ей цветом. Опал — это уникальный природный фотонный кристалл.

Изготовление зеркала с помощью метаматериалов

Однако искусственные метаматериалы обладают куда более широким диапазоном технически важных свойств, чем опал. Так, фотонные кристаллы благодаря наличию в них запрещенных (и разрешенных) фотонных зон могут служить светопроводниками, светоизоляторами и даже светополупроводниками. В первых двух качествах они позволяют (это уже подтверждено экспериментами) сжать световой пучок в очень узком световоде и передавать его на очень большие расстояния практически без потерь энергии (причем эти тончайшие световоды могут еще и изгибаться под очень большими углами, что невозможно в обычных световодах). Они могут также служить материалом для зеркал с большим отражением света и малыми потерями на его поглощение. В качестве световых полупроводников их мечтают использовать в будущих квантовых компьютерах вместо обычных электронных полупроводников. Необходимость в такой замене становится все острее, так как растущая мощность обычных компьютеров приводит к тому, что при большой скорости (частоте) передачи информации с помощью электронов возникают большие потери энергии на нагрев. Между тем кванты света (фотоны) уже исходно имеют огромную частоту. «Левые» метаматериалы, как уже говорилось, сулят невидимость во всем оптическом диапазоне (хотя практический путь к этому еще очень далек), а благодаря своей сверхдифракционной разрешающей способности позволяют намного теснее записывать информацию на DVD и делать много более миниатюрные электронные схемы, изготовляемые методом оптической литографии.

Разумеется, и невидимость, и суперлинзы, и все «левые» и метаматериалы вообще — это наноэффекты и наноустройства, иными словами — это часть того, что сегодня объединяет в широком понятии «нанотехнология». Конечно, у нее есть и десятки других направлений поиска, например, разработка сверхпрочных и легких материалов из углеродных нанотрубок или создание наночастиц, способных вносить нужные вещества и даже приборы наноразмера внутрь организма (так, недавно было сообщено, что таким способом ученые собираются в ближайшее время измерять электропотенциал внутри живых клеток!). Сегодня все это — многомиллиардный научный бизнес. Область метаматериалов и, в частности, фотонных кристаллов — одно из самых многообещающих направлений в нанотехнологии, и мы еще наверняка будем не раз говорить о новых удивительных достижениях в этой области.