НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс и др.

В 1959 г. Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман прочитал лекцию с аллегорическим названием «Внизу полным-полно места» (Feynman, R. Р. 1961. There is plenty of room at the bottom,. In Minituarization. New York: Reinhold), которая позднее стала знаменитой^ Фейнман рассказал аудитории о фантастических перспективах, которые сулит изготовление материалов и ус­тройств на атомном или молекулярном уровне. Он также указал, что тогда воз­никнет необходимость в создании совершенно нового класса рабочей и изме­рительной аппаратуры, требуемой для обращения со столь малыми, нанораз - мерными объектами.

Предсказанная Феинманом аппаратура появилась лишь в 1980-х гг. (скани­рующие туннельные и атомно-силовые микроскопы и другие приборы), после чего исследователи обрели «глаза» и «пальцы», необходимые для создания и изучения свойств таких объектов. Одновременно был достигнут значительный прогресс в вычислительной технике, что позволило моделировать характери­стики материалов в наномасштабе. Эти новые инструменты и возможности стимулировали активность научного сообщества, и ученые различных специ­альностей стали активно изготовлять и изучать наноструктуры, открывая все новые явления, обусловленные тем, что хотя бы одно из измерений исследуе­мого объекта меньше критического размера 100 нм. В связи с этим возникла новая парадигма получения материалов, основанная на субмикронной «сбор­ке». В идеальном варианте (при использовании принципов самоорганизации вещества и «самосборки») такие материалы должны создаваться «снизу вверх», в отличие от практикуемого в настоящее время подхода к ультраминиатюриза­ции «сверху вниз» (т. е. когда мелкие объекты создаются из крупных, напри­мер, путем измельчения). Однако пока мы только начинаем понимать принци­пы, по которым следует осуществлять конструирование и производство нано­структур и наноустройств. Кроме того, требуется исследование характеристик уже изготовленных наноустройств, поскольку опыт изготовления микроуст­ройств ограничен моделями, работающими в диапазоне размеров > 100 нм. Поэтому мы сможем добиться большего прогресса в конструировании, изго­товлении и сборке наноструктур только после того, как ясно поймем принци - пы, определяющие физико-химические свойства таких материалов и методы их изготовления, и на этой основе научимся прогнозировать и регулировать свойства получаемых объектов.

Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование ма­териалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных об­разований. Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объекта­ми и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной (точнее надмолекулярной) организацией. Такие нано­структуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомно- молекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми фи­зическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехноло­гия — созданием наноструктур, наноинженерия — поиском эффективных ме­тодов их использования).

Исследования последних лет продемонстрировали важную роль нанострук­тур в различных областях науки и техники (физика, химия, материаловедение, биология, медицина и т. д.). Например, было обнаружено, что углеродные на - нотрубки на порядок прочнее стали (имея при этом в шесть раз меньший удельный вес), наночастицы способны избирательно проникать в раковые клетки и поражать их, некоторые наноструктуры могут в миллионы раз повы­сить быстродействие ЭВМ и т. д. Следует отметить, что в связи с углублением знаний о строении и функционировании природных объектов и живых орга­низмов на молекулярном уровне исследователи пытаются разработать общий подход к получению и использованию искусственных материалов с нанораз - мерной структурой.

В сущности, представляется очевидным, что все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Именно в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. Нанотехнологический подход означает такое же, но целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем фундаментальные параметры.

Специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе и связанные с этим новые физические явления обусловлены тем, что характерные размеры элементов структуры нанообъектов лежат в диапазоне Ю-9—Ю-7 м, соответст­вующем средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. С этой точки зрения следовало бы рассматривать наноструктуры в качестве особого фазового состояния вещества. Свойства веществ и материалов, образованных структурными элементами с размерами в нанометровом интервале, в объем­ной фазе не определяются однозначно. Изменения характеристик обусловле­ны не только уменьшением размеров структурных элементов, но и проявлени­ем квантовомеханических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. Управляя размерами и формой наноструктур, таким материалам можно придавать совершенно новые функ­циональные характеристики, резко отличающиеся от характеристик обычных материалов. К числу уже известных наноструктур относятся углеродные на - нотрубки, белки, ДНК и работающие при комнатных температурах «одноэлек - тронные» транзисторы. Рациональный подход к производству таких материа­лов и устройств знаменовал бы революцию в науке и технике, если бы ученым удалось выявить и полностью использовать закономерности и принципы, оп­ределяющие структуру и свойства таких объектов.

Придавая материалам и системам принципиально новые качества, нано - технология могла бы обеспечить прогресс практически во всех существующих областях деятельности (от автомобилестроения и компьютерной техники до принципиально новых методов лечения), а также, возможно, привести к появ­лению новых областей. Можно с уверенностью сказать, что в этом столетии на - нотехнология станет стратегическим направлением развития науки и техники, что потребует фундаментальной перестройки существующих технологий про­изводства промышленных изделий, лекарственных препаратов, систем воору­жения и т. д., а также вызовет глубокие преобразования в организации систем энергоснабжения, охраны окружающей среды, транспорта, связи, вычисли­тельной техники и образования.

Влияние нанотехнологии на жизнь, здоровье и безопасность человечества в наступившем столетии можно сравнить с общим влиянием антибиотиков, печатных схем и полимеров на жизнь общества в 20-м веке. Д-р Нил Лейн (со­ветник президента США по вопросам науки и техники и бывший директор На­ционального научного фонда) в апреле 1998 г., выступая на слушаниях в Кон­грессе США, заявил: «Если бы меня спросили, какая область науки и техники может обеспечить нам прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологию». Пра­вительственную позицию характеризует тот факт, что Отдел науки и техники и Управление по бюджету выпустили совместный меморандум, рекомендующий руководителям федеральных ведомств считать нанотехнологию приоритетным направлением исследований при составлении бюджета 2001 г. (см. табл. 1 в предисловии переводчика и редактора перевода).

Приведем еще несколько мнений о нанотехнологии. Джон Армстронг, бывший руководитель отдела исследований фирмы IBM, писал в 1991 г.: «Я уверен, что в грядущем столетии основную роль будут играть нанонаука и на - нотехнология, причем вызванные этим революционные преобразования будут сравнимы по масштабам с революцией в науке и технике, которая произошла в начале 1970-х гг. при переходе к микроэлектронным устройствам». В послед­нее время многие руководители промышленности (некоторые из них приняли участие в работе нашего семинара) также пришли к выводу, что нано - технология и наука о наноматериалах действительно обладают огромным потенциалом, способным изменить в будущем столетии свойства почти всех создаваемых человеком объектов. Они ожидают, что скоро будут достигнуты значительные успехи в методах изготовления высококачественных наномате - риалов, и это повлечет за собой многочисленные революционные преобразо­вания в промышленности. Так, Нобелевский лауреат Хорст Штормер выразил мнение, разделяемое многими его коллегами: «Нанотехнология дает нам сред­ства... играть с самыми маленькими «кубиками природы» — атомами и молеку­лами, из которых построен весь мир. Сочетание уже известных нам методов «от большого к малому» с самосборкой на атомном уровне создает огромное поле возможностей для «игры в комбинаторику» с химическими и биологическими свойствами при использовании специально полученных искусственных струк­тур. Возможности для создания новых объектов представляются безгранич­ными».

Джордж Уайтсайдс, профессор химии Гарвардского университета, в 1998 г. указал на устройства хранения информации как на пример области техники, в которой применение нанотехнологии может привести к радикальным измене­ниям: «Используя наноустройства, вы можете изготовить запоминающее уст­ройство с объемом памяти, эквивалентным тысяче компьютерных дискет, и размером с наручные часы. В этом устройстве может храниться библиотека на всю жизнь... Идеи такого рода могут сильно изменить представление об образе жизни».

В книге приводятся согласованные точки зрения ведущих экспертов, пред­ставляющих государственные и университетские лаборатории, а также органи­зации частного сектора. В нее включены также дополнения, внесенные позд­нее различными представителями науки и техники США. Описаны проблемы и возможности, связанные с нанотехнологией, а также шаги по ее развитию, которые должны быть предприняты в национальном масштабе. В книге выде­лены три принципиально важных направления развития нанотехнологии: со­здание сбалансированной инфраструктуры для научно-исследовательских ра­бот, проведение перспективных разработок и подготовка научно-технического персонала для следующего столетия.

Анализ международного развития нанотехнологии привел в 1998 г. к выво­ду о том, что уровень финансирования разработок в Западной Европе и Япо­нии достаточно высок, и США не лидируют в этой области. Такое положение отличается от ситуации технологической революции после Второй мировой войны, когда США доминировали в мире в области развития науки и техники. Предлагаемая здесь программа нацеливает на значительное увеличение феде­рального финансирования развития нанотехнологии, а также обеспечения вза­имодействия между правительственными, университетскими и частными организациями, необходимого для достижения мирового лидерства СШАв об­ласти нанотехнологии. Однако поскольку обеспечить абсолютное лидерство по всем направлениям столь обширной области, как нанонаука, практически невозможно, США должны наладить взаимовыгодное сотрудничество с други­ми странами по обмену информацией, проведению совместных исследований и обучению молодых специалистов за рубежом. Необходимо также создать ин­фраструктуру, координирующую сотрудничество по нанотехнологиям в меж­дународном масштабе.

Таким образом, преимущества нанотехнологии могут быть реализованы в максимальной степени при наличии общенациональной программы, объеди­няющей усилия исследовательских, промышленных и правительственных ор­ганизаций на всех уровнях. Основные акценты этой программы:

• Поддержка долгосрочных научных исследований в области нанотехно­логии, нацеленных на фундаментальные открытия новых явлений, процессов и материалов.

• Укрепление официальных структур, поощряющих и развивающих ис­следования в данной области.

• Поддержка межотраслевого и междисциплинарного сотрудничества.

• Создание новых методов обучения специалистов (технологов и органи­заторов) в области нанотехнологии.

• Создание инфраструктуры для организации высокоэффективных фунда­ментальных исследований, поиска возможных применений их резуль­татов, развития новых технологий и их быстрой коммерциализации.

В рамках этой большой национальной программы по нанотехнологии были выделены специальные разделы. Для университетских, частных и государствен­ных лабораторий, а также для финансируемых правительством агентств и про­фессиональных научно-технических обществ рекомендуются следующие ме­роприятия.