15.01.2008 | Наука / Технологии

Индустрия на кончике иголки

Что такое нанотехнологии

Слово «нанотехнологии» стало сегодня одним из самых модных: еще немного – и ни один новый продукт не позволит себе появиться на рынке без обязательного упоминания о том, что он «изготовлен с применением современных нанотехнологий». Восторженные публикации идут таким потоком, что неспециалисту уже непросто отличить, где кончаются описания реально существующих изделий и материалов и начинаются футурологические фантазии. Во всяком случае, все сходятся на том, что нанотехнологии – это типичный пример «технологии общего назначения», способной не просто найти применение в самых разных сферах человеческой деятельности, но и произвести в них переворот. Именно такую роль сыграли когда-то паровые двигатели, затем – электричество, полупроводниковые устройства, и уж совсем недавно – компьютеры.

Пограничная полоса

Приставка «нано», образованная от греческого слова nanos – «карлик», давно бытовала в естествознании и технике, обозначая одну миллиардную долю какой-нибудь единицы. Можно даже сказать, что с нановеличинами мы имеем дело уже давно: например, время выполнения одной элементарной операции в лучших серийно выпускаемых компьютерах составляет как раз около одной наносекунды. Современная химия давно умеет работать с нанограммами вещества. С другой стороны, характерный размер элементов электроники плавно уменьшается уже которое десятилетие и к настоящему времени как раз осваивает десятые доли микрона, т. е. сотни нанометров. Так что на первый взгляд даже непонятно, почему переход именно к нанометровому масштабу вызывает такой ажиотаж.

Дело в том, что именно в нанодиапазоне пролегают несколько важнейших границ. Прежде всего, именно в этом масштабе начинает сказываться дискретность вещества.

Как известно, наш мир состоит из относительно неделимых частиц – атомов. Их габариты измеряются ангстремами, т. е. десятыми частями нанометра, и следовательно, нанообъекты состоят из счетного числа атомов. Оно может быть и довольно большим: к наноматериалам, например, относят пленки толщиной менее 100 нм – а это сотни слоев атомов углерода или кремния. Но даже такие субстанции ведут себя уже совсем иначе, нежели непрерывные, бесконечно делимые вещества, из которых состоят видимые или микроскопические предметы.

Как опять-таки всем известно, атомы не только дискретны – их свойства описываются квантовой механикой, законы и эффекты которой не похожи ни на что в привычном нам мире. Именно в нанодиапазоне квантовые эффекты перестают быть пренебрежимо малыми. И если в масштабе сотен нанометров они проявляются в основном как искажения, отличающие объект от его макроскопических аналогов, то уже системы, измеряемые десятками нанометров, ведут себя как чисто квантовые объекты.

Еще одна группа эффектов связана с тем, что поскольку нанообъекты состоят из ограниченного числа атомов, значительная часть этих атомов оказывается в наружном, пограничном слое. С точки зрения атома условия в этом слое совсем другие, нежели в толще вещества, и в нем могут происходить совершенно удивительные вещи.

Например, все дефекты и неправильности кристаллической решетки из нижележащих слоев самопроизвольно «вытягиваются» на поверхность и могут быть затем удалены. В макроскопической частице этот эффект ограничивается несколькими прилегающими к поверхности слоями атомов, наночастица же может таким образом полностью очиститься от дефектов. А расчеты показывают, что характеристики материала с идеальной кристаллической решеткой (прочность, электропроводность и т. д.) может на порядки отличаться от свойств того же вещества в «обычном» состоянии. Вообще именно в наномире становятся обычными эффекты самоорганизации, спонтанного упорядочивания элементов, невозможные в макро- и даже в микромире. Понятно, что доступ к объектам с такими свойствами означал бы не просто открытие новых технических возможностей, но рождение нового поколения материалов и механизмов.

Теоретически все это было известно довольно давно, и в пророчествах о грядущем овладении нанотехнологиями недостатка не было.

Еще в 1959 году знаменитый американский физик Ричард Фейнман не только выдвинул идею о работе с отдельными атомами, но и теоретически рассмотрел структуры, которые можно из них создавать. В 1968-м сотрудники Белловских лабораторий Альфред Чо и Джон Артур разработали теоретические основы нанообработки поверхностей. Само слово «нанотехнологии» ввел в оборот в 1974 году японский ученый Норио Танигучи. Но предсказать часто бывает значительно легче, чем сделать: буквально до последних десятилетий в мире просто не существовало инструментов ни для манипуляций с отдельными нанообъектами, ни даже для получения информации о них. Они принципиально невидимы в привычном для нас свете (никакое излучение не может отражаться от объекта, размер которого меньше половины длины его волны, – а длина самых коротких световых волн составляет около 400 нм), а любые целенаправленные воздействия на них неизбежно должны были потонуть в хаосе тепловых и механических колебаний.

О дивный наномир!..

Точкой перехода нанотехнологий из чистой теории в практику считается 1982 год, когда сотрудники Цюрихского исследовательского центра IBM Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп – инструмент, позволяющий увидеть отдельные атомы. Впрочем, слово «увидеть» тут употребляется фигурально – и детище Биннига и Рорера, и дополнившие его позже атомно-силовой и ближнепольный оптический микроскопы скорее ощупывают свои объекты различными воздействиями (электрическим полем, ван-дер-вальсовыми силами, фазой световой волны) и на основании этого строят их изображение. Но это неожиданно оказалось достоинством: если инструментом можно ощупывать какие-то предметы, им же можно их и двигать, и все перечисленные типы микроскопов сегодня используются как наноманипуляторы.

Тремя годами позже Ричард Смолли, Роберт Керл и Харолд Крото открыли фуллерены – круглые и удлиненные образования из нескольких десятков атомов углерода, ставшие первым элементом нанотехнологического «конструктора», в который сегодня с увлечением играют сотни лабораторий по всему миру.

Заодно при работе с фуллеренами группа Крото решила задачу точных измерений объектов длиной около нанометра. А еще через год Эрик Дрекслер выпустил книгу «Машины творения», рисующую уже в подробностях невероятные возможности нанотехнологий.

Сегодня подобным пророчествам несть числа. Из публикации в публикацию кочуют мириады невидимых глазу нанороботов, которые проникают в самые труднодоступные места Вселенной, планеты и человеческого тела, доставляют лекарства в строго определенную точку, расправляются с микробами и раковыми клетками, передают информацию и вообще способны производить где угодно что угодно, просто собирая нужные вещества и объекты по атому. «Бриллианты и деликатесная еда могут быть сделаны в буквальном смысле слова из грязи. В результате за ненадобностью исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и недавнее изобретение человеческой цивилизации – работа. После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования», – предсказывает знаменитый английский писатель-фантаст Артур Кларк.

Не будем спорить с подобными прогнозами:

всякий раз появление очередной технологии общего назначения сопровождалось ожиданиями, что вот уж она-то точно установит рай на земле.

Факт тот, что сегодня на рынке реально присутствуют в основном наноматериалы: покрытия, композиты, керамика, полимеры, катализаторы, мембраны и т. д. Есть также устройства, произведенные с использованием нанотехнологий: сенсоры, биочипы, светодиоды. Ожидается, что в ближайшие годы на рынок выйдут конструкционные материалы на основе углеродных нанотрубок, нанокапсулы для доставки лекарств и ряд других продуктов. Собственно наноустройства пока что реально развиваются только в электронике: например, компания Intel приступила к массовому производству процессоров Penryn, в которых характерный размер структурных элементов составляет всего 45 нм (в выпущенном на рынок в 2005 году процессоре Pentium 4 Dual Core этот стандарт составлял 65 нм), а слои используемого в качестве изолятора оксида гафния имеют толщину около 1 нм. Достижение впечатляет, но следует помнить, что речь идет не о каком-то аппарате или машине, а об участке кристалла, на котором разыгрываются обычные процессы полупроводниковой проводимости.

Что же касается потрясающих воображение публики нанороботов, то они сегодня существуют лишь в научных лабораториях и шансов на их коммерциализацию в ближайшие годы нет никаких. По одной простой причине: они практически ничего не умеют.

Например, «шагающий наноробот», созданный в Нью-Йоркском университете из нескольких коротких цепочек ДНК, выполняет единственную функцию: он способен двигаться вдоль специально изготовленной дорожки с опорами, смещаясь за один такт на строго определенное расстояние («шаг»). Это интересная модель работы ряда «двигающихся» макромолекул (ДНК-полимераз, миозина и т. д.), но называть такую конструкцию «роботом» нет никаких оснований. То же самое касается, например, созданных в Токийском университете «наноножниц» – довольно сложной молекулы, умеющей сводить и разводить «лезвия» в зависимости от того, какой свет падает на «рукоятки» (резать, правда, эти «лезвия» ничего не могут, так что правильнее было бы назвать устройство «нанозажимом»), – и прочих занятных и поучительных лабораторных игрушек.

Но даже если ученым в ообозримом будущем удастся создать действительно умные и умелые наноустройства, они столкнутся с другой проблемой: как наладить их массовое производство?

Если производителей наноматериалов сильно выручают процессы молекулярной самоорганизации, самосборки на матрице и т. п., то нанороботов придется собирать вручную буквально по атому – что вполне нормально в лабораторном исследовании, но неприменимо в промышленности.

Упомянутый выше Эрик Дрекслер видел выход из этой ситуации в создании размножающихся наномашин. Однако он же указал и на опасность этого подхода: как только системы любого типа обретают способность к самовоспроизведению, они тут же подпадают под действие дарвиновского естественного отбора. Поскольку тотальный контроль бессчетного множества нанороботов невозможен, рано или поздно эта эволюция породит формы, для которых человечество со всей его материальной культурой будет лишь сырьем. И тогда бороться с вездесущей «серой слизью» будет поздно.

На самом деле этот сценарий крайне маловероятен. Еще Эрвин Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» обратил внимание на то, что самовоспроизводиться способны лишь системы состоящие из очень большого числа атомов. Позднее это положение было теоретически обосновано Аланом Тьюрингом. И в самом деле,

за 4 миллиарда лет эволюция так и не создала самостоятельно размножающихся организмов размером меньше полмикрона. Но именно это делает весьма проблематичным создание размножающихся нанороботов даже в самом отдаленном будущем.

Тем не менее ажиотаж вокруг нанотехнологий в мире не стихает, сильно напоминая то, что творилось десятилетием раньше вокруг интернет-технологий. Ожидается, что уже к 2015 году мировой рынок нанотехнологической продукции превысит 1,1 трлн долларов. Самый большой сектор (350 млрд) составят наноматериалы, почти такой же (300 млрд) – наноэлектроника, остальное придется на фармацевтику, катализаторы, технологии защиты окружающей среды и т. д. Нанороботы в этом прогнозе не значатся вовсе.

Оно нам нано?

В этом году нанотехнологии привлекли повышенное внимание политического руководства России: для их развития была создана специальная государственная корпорация, а из бюджета на эти цели выделена астрономическая сумма: 130 млрд рублей (т. е около 5 млрд долларов) на полтора года. Крупнейшая действующая государственная программа подобных исследований – «Национальная нанотехнологическая инициатива» США – за семь лет своего существования потратила меньше денег американских налогоплательщиков. Оценки этого амбициозного проекта поражают своей полярностью: официальные лица говорят о том, что «у России есть все шансы возглавить мировую нанотехнологическую гонку» и ссылаются на успех атомного и космического проектов в СССР. А в той части общества, которая никак не связана с проектом, большинство предполагает, что единственным его результатом будет «освоение» бюджетных средств. Появилась даже ядовитая шутка: «нано» означает согласие выделить деньги при условии отката – «на, но...».

На самом деле перспективы развития нанотехнологии в России мало зависят от степени коррумпированности тех лиц и структур, которым поручено ими заниматься.

Конечно, разговоры о российском лидерстве в этой области трудно принимать всерьез, но в России сегодня ведутся серьезные нанотехнологические исследования, а на рынке нанотехнологической продукции она занимает скромные, но заметные 4%. Правда, основная часть российских нанотоваров – это «наноматериалы первого поколения», прежде всего всякого рода нанопорошки. Однако есть и фирмы, производящие более технологичный продукт – например, зеленоградская НТ-МДТ, выпускающая все основные виды зондовых микроскопов для наноманипуляций (см. выше), которые ей удается поставлять даже в страны ЕС.

Тем не менее именно ее глава Виктор Быков четко называет главное препятствие для отечественной наноиндустрии: «Если сегодня кто-то... вырастит, скажем, транзистор, состоящий из нескольких десятков атомов,.. это вовсе не будет означать, что завтра у нас появится мобильный телефон размером с горошину. Прежде всего, должна быть отработана технология, которая позволит при минимальных затратах воспроизводимо получать такую структуру (нанотранзистор) в массовых количествах. Одновременно новый наноэлектронный элемент должен быть всесторонне исследован и протестирован. Совокупность его характеристик должна быть передана схемотехникам, которые интегрируют его в электронные схемы. Затем конструкторы-разработчики электронных устройств должны найти способы применить новую схему в своих устройствах. Наконец, сами устройства должны быть востребованы. Для этого должна развиваться индустрия информационных технологий. А самое главное, должен существовать платежеспособный спрос на «умные» механизмы».

Иными словами, нанотехнологии невозможно развивать изолированно, они могут существовать лишь как сегмент экономики определенного типа – гибкой, наукоемкой, ориентированной на потребительский спрос. И атомно-космическая ностальгия здесь, мягко говоря, неуместна.

Каждый советский проект должен был создать фактически один вид продукта, причем в ограниченном числе экземпляров (не говоря уж о том, что эти проекты были полностью ограждены от требований экономической эффективности). Скорее правы те, кто называет нанотехнологический проект «путинской кукурузой» – как известно, провал кукурузной инициативы Хрущева был предопределен не недостатками «царицы полей», а природой советского сельского хозяйства.

Зато распространение нанотехнологической риторики не имеет, похоже, никаких ограничений. Когда в сентябре этого года в России прошли испытания сверхмощной вакуумной бомбы, один из ее создателей публично заявил, что такой большой разрушительной силы удалось достичь «благодаря применению нанотехнологий». Самое смешное, что формально это чистая правда. Для вакуумного взрыва нужно создать либо газовую смесь, либо аэрозоль. Капелькам аэрозоли не так уж трудно придать наноразмер (чем они мельче, тем лучше боеприпас), молекулам газа он присущ по определению. Чем не нанотехнология?

Правда, как заметил по этому поводу один из ведущих российских специалистов по нанотехнологиям, член-корреспондент РАН Евгений Гудилин, «в этом случае главные нанотехнологии реализуются внутри нас в прямой кишке – когда определенной формы консолидат направленно формируется из наноразмерных обрывков бывших белков».

Источник: «Большой бизнес» № 11, 2007,