НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Научные и инженерные сообщества и организации

— Организация междисциплинарных конференций по научным и техноло­гическим вопросам, связанным с наноструктурами, а также разработка новых методик и их внедрение в существующие технологии.

— Организация специализированных исследовательских групп из ученых и инженеров в тех отраслях, где их раньше не было.

— Установление связей с международными научными организациями для информирования американских ученых о последних достижениях в данной области.

— Проведение конференций по вопросам образования в области нанотех­нологий на всех уровнях.

— Организация конференций с участием ученых и представителей про­мышленных компаний по различным аспектам развития нанотехнологий.

Мы полагаем, что настоящая книга поможет уяснить, что открытия все новых явлений и процессов, относящихся к строению вещества на атомном и молекулярном уровне, предоставляют современной науке огромные возмож­ности по созданию материалов, устройств и структур с уникальными характе­ристиками. Используя наноструктуры в качестве новой «физической перемен­ной», можно значительно расширить возможности применения существую­щих химических соединений и материалов из них. Уже сейчас очевидны неко­торые будущие применения нанотехнологий: новое поколение химических и биологических сенсоров с мономолекулярными покрытиями; наноразмерные переключатели, позволяющие увеличить память компьютеров в миллионы раз; миниатюрные медицинские зонды, не повреждающие ткани организма; прин­ципиально новая система введения лекарств и даже генов в живые организмы; создание керамических, полимерных, металлических и других материалов с наноструктурой, что значительно повышает их механические характеристики; упрочнение полимеров наночастицами, что позволяет резко снизить вес изго­товляемых из них деталей; создание наноструктурных силикатов и полимеров, прекрасно абсорбирующих многие вещества, загрязняющие окружающую сре­ду. В настоящее время исследователи переходят от наблюдения и открытия но­вых явлений к конструированию и изготовлению довольно сложных устройств на основе наноструктур. Для обеспечения быстрого и непрерывного прогресса в этой области в ближайшем будущем должен быть выработан системный под­ход к нанотехнологии, основанный на организации междисциплинарных ис­следований.

Следует особо отметить широту и разнообразие возможностей, создавае­мых этим научным направлением, а также, естественно, существующие сложности (такие сложности возникают всегда, когда область исследований является слишком обширной). Неоднократно подчеркивалось, что нанотех­нологии способны, в принципе, заменить многие существующие техноло­гии, составить основу для создания новых отраслей промышленности и пре­образования фундаментальных научных моделей в энергетике, экологии, средствах связи, вычислительной технике, медицине, космических исследо­ваниях, национальной обороне. Все сказанное особенно справедливо для материаловедения, где нанотехнология в ближайшие десятилетия должна привести к подлинной революции. В настоящее время основной проблемой является разработка новых методов исследования и новых научных теорий в материаловедении для изучения поведения вещества в нанометровом масш­табе.

Уровень теоретических представлений об основных явлениях в наномасш - табе и методик их исследования пока невысок. Для реализации упомянутых выше возможностей нанотехнологии требуются гораздо более глубокие науч­ные знания, чтобы понять, как происходят процессы молекулярной самоорга­низации и каким образом могут функционировать сложные наноструктурные системы. В настоящее время в нанотехнологии трудно четко отделить фунда­ментальные проблемы от прикладных. Такая ситуация возникает в науке не впервые — достаточно вспомнить, как открытие лазеров привело к революци­онным изменениям в ряде наук (включая средства связи и хирургию), хотя фундаментальные принципы их действия остались неизученными. С другой стороны, трудно ожидать сколько-нибудь заметного прогресса в нанотехноло - гиях различных областей (физики, химии, материаловедения, электротехники и т. д.) до тех пор, пока не будут выявлены некоторые фундаментальные науч­ные закономерности. Из наиболее общих междисциплинарных проблем, сто­ящих в настоящее время перед исследователями в области нанотехнологии, первостепенное значение имеют следующие:

1. Какими новыми квантовыми свойствами могут обладать нанострукту­ры, особенно при комнатных температурах?

2. В чем состоят различия свойств «двухмерных» состояний вещества (по­верхностей раздела) и объемных состояний? Каким образом эти разли­чия могут быть использованы в новых технологиях?

3. Каким образом протекают преобразования поверхности и перегруппи­ровки атомов в нанокристаллах и нановолокнах? Можно ли, используя методы эпитаксиального роста, получать в нанокристаллах системы ти­па «ядро-оболочка»?

4. Можно ли осуществлять синтез и очистку углеродных нанотрубок с одинаковой длиной и спиральностью, рассматривая такие трубки в ка­честве отдельного вида молекулярных образований? Можно ли добить­ся хорошей воспроизводимости при изготовлении гетеропереходов в одномерных наноструктурах?

5. Какой уровень знаний о строении сложных полимеров, надмолекуляр­ных и биологических систем может быть достигнут, когда ученые нау­чатся анализировать свойства одной молекулы?

6. До какой степени может быть развита техника самосборки для регули­рования относительного положения элементов наноразмерных уст­ройств, учитывая, что при достаточно сложной последовательности операций количество «ошибок» может стать неприемлемо большим?

7. Какие процессы могут привести нас к экономически выгодному произ­водству наноструктур с регулируемыми параметрами (размеры, форма, состав, поверхностные состояния), необходимыми для их применения в разнообразных устройствах?

Полезно также выяснить, являются ди наноструктурные материалы и на­нотехнологии действительно новыми? Не относятся ли к наноматериалам некоторые из давно известных нам веществ?[1] На самом Деле, многие из дав­но используемых человечеством материалов и процессов фактически связа­ны с нанотехнологиями. В частности, фотография и катализ всегда были основаны именно на «нанопроцессах» (хотя исследователи не знали об их существовании), вследствие чего развитие нанотехнологии обещает значи­тельный прогресс именно в этих классических разделах науки и техники. Во многих существующих технологиях традиционно используются случайно об­наруженные нанообъекты и нанопроцессы, роль которых в некоторых случа­ях остается неясной до сих пор. Например, уже давно было известно, что до­бавление в каучук небольших количеств неорганических глин существенно улучшает характеристики получаемой резины. Как оказалось, нанометровые частицы глины прочно связывают концы полимерных цепочек или «нитей». В этом простом процессе фактически образуется композиционный материал резина + глина, что наглядно демонстрирует возможности использования нанотехнологии в сложных системах. Научно обоснованное использование нанокомпонентов позволит создать высокопрочные, но не хрупкие конст­рукционные материалы.

Лишь в последнее десятилетие ученые подошли к рассмотрению проблемы одновременного «управления веществом» (анализ, организация и контроль) в нескольких пространственных масштабах. Примерно за полтора столетия хи­мики научились управлять положением небольшого числа атомов внутри моле­кул, т. е. целенаправленно синтезировать молекулы размером около 1,5 нм. Эта способность обеспечила революционные изменения во многих областях хи­мии, медицины и т. д. В течение последних десятилетий происходило коренное изменение микроэлектроники, связанное с использованием фотолитографии в полупроводниковой промышленности. Нанотехнология является своеобраз­ным «мостом» между умением регулировать структуру на атомно-молекуляр - ном уровне и микротехнологией. Расширение диапазона контролируемых мас­штабов открывает блестящие перспективы для материаловедения. Хотелось бы особо подчеркнуть, что создание наиболее сложных из известных веществ (жи­вых организмов) требует умения одновременно управлять структурой вещества в нескольких пространственных масштабах (молекулярном, нанометровом, микрометровом, миллиметровом и метровом).

Книга начинается с гл. 1—3, где излагаются фундаментальные научные по­ложения и методики, используемые в нанотехнологии. В гл. 4 дается обзор со­стояния исследований в области синтеза и сборки наноструктур. Гл. 5—10 по­священы основным областям возможного применения нанотехнологии. В гл. 11 описана инфраструктура, которая в будущем должна составить осно­ву для общего руководства исследованиями, внедрением новых технологий и подготовкой кадров. В гл. 12 анализируются роль государственных финанси­рующих организаций и стратегия их деятельности.

Сейчас невозможно точно определить прибыльность капиталовложений в развитие нанотехнологий, однако в книге приведены прогнозы о возможных прибылях в ближайшее десятилетие. Важный урок 20-го столетия состоит в том, что большинство прогнозов о развитии конкретных технологий оказалось ошибочным. Это естественно, поскольку эксперты обычно пытаются угадать темпы развития какой-либо отрасли, между тем как настоящие научные и тех­нологические революции недоступны для прогнозирования.

Следует также учитывать возможные социально-экономические последст­вия развития нанотехнологии. В описанных ниже сферах человеческой дея­тельности и промышленного производства применение нанотехнологии мо­жет стать всеобъемлющим.

Производство материалов. Нанотехнология должна принципиально изме­нить методы изготовления материалов и устройств. Возможность синтезиро­вать наномасштабные элементы структуры с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революцион­ным изменениям во многих отраслях материаловедения и промышленности. Использование наноструктур позволит получать более легкие и прочные мате­риалы с программируемыми характеристиками, снизить стоимость эксплуата­ции устройств благодаря повышению их качества, создать принципиально новые устройства, основанные на новых принципах и имеющие новую «архи­тектуру», а также производить молекулярные и кластерные объекты.

Производство молекул и кластеров должно дать большие преимущества при сборке на наноуровне материалов с заданными характеристиками (может быть, даже такими, которые ранее не были известны). Возникающие при этом задачи связаны с конструированием и получением биоматериалов и материалов с био­характеристиками, развертыванием экономически выгодных, крупномасштаб­ных производственных процессов, а также изучением причин деградации мате­риалов на наномасштабном уровне. Основные области применения нанотехно­логии в материаловедении и производстве материалов перечисляются ниже:

— Изготовление наноструктурных керамических и металлических изделий с точно заданными размерами, т. е. изделий, не требующих дальнейшей ма­шинной обработки.

— Использование наночастиц для цветной печати, превосходящей по каче­ству существующие способы.

— Исследование процессов науглероживания поверхности или нанесения карбидных покрытий с наноструктурой для получения новых типов режущих инструментов и для различных применений в электронике, химии и технике.

— Разработка новых стандартов измерений, пригодных для использования в нанотехнологии.

— Изготовление на основе нанотехнологий новых типов чипов (кристаллов с электронными схемами) с более высоким уровнем сложности и функцио­нальных характеристик.

Наноэлектроника и вычислительная техника. Ассоциация полупроводниковой промышленности США разработала свой собственный план непрерывного раз­вития устройств обработки информации (датчики сигналов, процессоры, запоминающие устройства, дисплеи). План подразумевает непрерывную мини­атюризацию устройств, увеличение скорости действия и понижение энергопот­ребления. Авторы этого плана (1997) обращаются ко всем производителям в дан­ной области с призывом доказать справедливость эмпирического закона улуч­шения технологических характеристик (так называемого закона Мура) в области изготовления интегральных схем. В соответствии с прогнозом, к 2012 г. линей­ные размеры самых миниатюрных компонентов некоторых устройств должны снизиться до 50 нм. Однако в указанном плане развитие обозначено только до 2006 г. (и до размеров около 100 нм), и авторы воздерживаются от прогнозов на более длительный срок. Пол Пакман в статье о производстве полупроводников (Science 285,2079 (1999)) указывает, что «закон Мура поставлен под сомнение» и продолжение совершенствования в следующем десятилетии «станет наиболее серьезной проблемой за всю историю полупроводниковой техники».

Указанный план заканчивается именно на подходе к наноструктурам, по-

Рис. В.1. Использование явления ГМС в ин­формационных технологиях для производства устройств постоянной памяти с высокой плот­ностью записи.

Скольку до сих пор неизвестны принципы их работы, методы их изготовления и объединения в более сложные системы. В плане отмечается, что «для даль­нейшего развития промышленности полупроводников и сохранения ее роли в экономическом росте США необходима федеральная поддержка научно-исс­ледовательских работ в этой области». Указывается, что в области размеров меньше 100 нм требуются новые материалы, новая «архитектура» устройств и технологические процессы нового типа.

Время, за которое научные открытия созревают до использования в тех­нологии, составляет 10—15 лет, и поэтому именно сейчас правительство дол­жно начать финансирование нанонауки и нанотехнологии, чтобы достойно ответить на грядущие вызовы в этой области. Более того, финансирование должно нарастать со временем, чтобы добиться прогресса и в других направ­лениях. Наглядным примером может служить ситуация с магнитными запо­минающими устройствами. В течение десяти лет после открытия в результа­те фундаментальных исследований физического явления гигантского маг - нитосопротивления (ГМС) основанная на этом явлении нанотехнология вытеснила старые методы в области производства головок для компьютер­ных дисков. Доля новой технологии на этом рынке достигла в 1998 г. 34 млрд. долл. (см. рис. В.1).

Использование нанотехнологий в электронике и компьютерной технике может привести к прогрессу в следующих областях:

— Производство экономичных наноструктурных микропроцессоров с низ­ким энергопотреблением и значительно более высокой производительностью.

— Использование более высоких частот передачи и более эффективное ис­пользование частот оптического диапазона позволит не менее чем в десять раз расширить диапазон частот и послужит источником больших перемен в бизне­се, образовании, индустрии развлечений, системах вооружения.

— Создание запоминающих устройств малого размера с мультитерабитным объемом памяти даст возможность в тысячи раз увеличить эффективность ра­боты компьютеров.

— Создание интегрированных систем с датчиками на наноструктурах по­зволит обрабатывать большие массивы информации при очень низком энерго­потреблении.

— Совершенствование вычислительной техники, связанное с нанотехноло - гиями, может привести к созданию беспилотной гражданской и военной авиа­ции, а увеличение пропускной способности каналов связи повысит эффектив­ность обмена информацией.

Медицина и здравоохранение. Получены данные о том, что применение наноустройств и наноструктурных поверхностей может на порядок повысить эффективность анализа в столь трудоемкой области биологии, как расшиф­ровка генетического кода. Развитие методов определения индивидуальных генетических особенностей может привести к революции в диагностике и ле­чении болезней. Помимо оптимизации назначения лекарственных препара­тов, нанотехнология позволит разработать новые методы доставки лекарств к больным органам, а также значительно увеличить степень их лечебного воз­действия.

Достижения нанотехнологий могут быть использованы в исследованиях по клеточной биологии и патологии. Развитие новых аналитических методик, пригодных для работы в нанометровом масштабе, значительно повысит эффек­тивность исследований химических и механических свойств клеток (включая деление и движение), а также позволит измерять характеристики отдельных мо­лекул. Эти новые методики станут существенным дополнением методик, свя­занных с исследованием функционирования живых организмов. Кроме того, регулируемое создание наноструктур должно привести к созданию новых био­совместимых материалов с повышенными характеристиками. Молекулярные составляющие биологических систем (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и их биологические аналоги) являются примерами материалов, чья структура и свойства определяются в наномасштабе. Многие природные нано­структуры и наносистемы образуются при помощи биологических методов са­мосборки. Искусственные неорганические и органические наноматериалы мо­гут вводиться в клетки, использоваться для диагностики (например, с помощью создания визуализируемых квантовых «точек») и применяться в качестве их ак­тивных компонентов.

Повышение объема памяти и быстродействия ЭВМ с помощью нанотехно­логии позволит перейти к моделированию макромолекулярных сеток в реаль­ном окружении. Такие расчеты чрезвычайно важны для разработки биосовме­стимых трансплантантов и новых типов лекарств. Перечислим некоторые перспективные применения нанотехнологии в биологии:

— быстрая и эффективная расшифровка генетических кодов, что представ­ляет интерес для диагностики и лечения;

— эффективное и более дешевое медицинское обслуживание с использова­нием дистанционного управления и устройств, работающих внутри живых ор­ганизмов;

— новые методы введения и распределения лекарств в организме, что име­ло бы большое значение для повышения эффективности лечения (например, доставка препаратов к определенным местам в организме);

— разработка более стойких и не отторгаемых организмом искусственных тканей и органов;

— разработка сенсорных систем, которые могли бы сигнализировать о воз­никновении болезней внутри организма, что позволило бы врачам заниматься не столько лечением, сколько диагностикой и предупреждением заболеваний.

Аэронавтика и космические исследования. Развитие космической техники сдерживается высокой стоимостью вывода грузов на орбиту, особенно для по­летов на большие расстояния (например, за пределы Солнечной системы). Эти сложности стимулируют поиски новых методов снижения размеров и массы космических аппаратов, а также повышения эффективности систем запуска. Многие из возникающих при этом проблем могут быть решены при использо­вании наноструктурных материалов и устройств. В частности, такие материа­лы могут быть особенно полезны при изготовлении легких, прочных и термо­стойких деталей самолетов, ракет, космических станций и исследовательских зондов для дальних космических полетов. Более того, возможно, в условиях космического пространства (отсутствие гравитации, высокий вакуум) удастся организовать исследования или даже производство таких наноструктур и нано - систем, которые нельзя получить на Земле. Область возможных применений нанотехнологии в авиации и космической технике очень широка, наиболее перспективными представляются следующие направления:

— разработка высококачественной и стойкой к воздействию радиации вы­числительной техники с низким энергопотреблением;

— создание наноаппаратуры для миниатюрных космических аппаратов;

— разработка нанодатчиков и наноэлектронных устройств для авиацион­ной техники;

— создание термоизоляционных и износостойких покрытий на основе на­ноструктурных материалов.

Окружающая среда и энергетика. Нанотехнология в перспективе может существенно повлиять на развитие методов получения, аккумулирования и эффективного использования энергии. Наноустройства могут также использо­ваться для контроля над состоянием окружающей среды, нахождения источ­ников загрязнения и развития экологически чистых производственных про­цессов с минимальным выбросом вредных отходов. Внедрение нанотехноло - гий должно привести к улучшению методов управления производством и заметному снижению энергопотребления. Фактически, в некоторых произ­водствах наноструктуры уже используются, но их применение сдерживается недостаточным развитием аналитических методик, пригодных для работы в нанометровом масштабе. В качестве примера можно указать следующие про­мышленные процессы, непосредственно связанные с нанотехнологиями и на - номатериалами:

• В химической промышленности была осуществлена широкомасштаб­ная и долгосрочная программа по использованию кристаллических ма­териалов в качестве носителей для катализаторов. Такие катализаторы с заданным размером пор (порядка 1 нм) широко применяются в настоя­щее время, и годовой оборот этой отрасли промышленности превышает 30 млрд. долл.

• Фирма «Мобил Ойл» разработала новый нанопористый материал МСМ-4 (с размером пор от 10 до 100 нм) и широко использует его для отделения мелкодисперсных загрязняющих агентов.

• Некоторые химические компании разработали армированные наноча - стицами полимерные материалы для замены металлических элементов автомобильных конструкций. Более широкое применение таких нано- композитных материалов приведет к снижению потребления бензина в масштабах всей страны на 1,5 млрд. л и одновременному уменьшению выбросов двуокиси углерода на более чем 5 млрд. кг в год.

• Использование наночастиц вместо сажи как компонентов автомобиль­ных шин и некоторых полимерных материалов позволит организовать экологически более чистое производство.

В будущем наноструктурные материалы будут применяться для переработ­ки отходов промышленности и ядерной энергетики.

Проблемы национальной безопасности. Министерство обороны еще 10 лет назад признало важность исследований по нанотехнологии и активно способ­ствовало развитию работ в этой области. Основные направления, представля­ющие интерес для национальной обороны, перечислены ниже:

— Исследования в области информационных технологий (см. раздел «На - ноэлектроника и вычислительная техника»).

— Разработка сложных систем «виртуальной реальности», основанных на наноэлектронике. Такие системы необходимы для создания новых методик подготовки персонала.

— Исследования по автоматике и робототехнике, направленные на уменьшение численности персонала, снижение риска для военнослужащих и повышение эффективности военной техники. Например, применение на - номатериалов может привести к снижению веса беспилотного истребителя на тонны, что обеспечит повышение его боевых характеристик. Отсутствие ограничений на значения перегрузки таких самолетов повышает их эффек­тивность.

— Разработка более прочных и легких материалов для боевой техники, что позволит снизить стоимость ее эксплуатации и повысить рабочий ресурс.

— Разработка улучшенных датчиков химического, биологического и ядер­ного оружия.

— Совершенствование систем контроля, используемых для проверки со­блюдения договоров о нераспространении ядерного оружия.

Другеє возможные применения нанотехнологии. В будущем ожидается про­никновение нанотехнологий в различные сферы общественной жизни, вклю­чая следующие:

— более легкие и безопасные транспортные системы;

— охрана окружающей среды;

— разработка новых методик расследования преступлений;

— разработка новых методов печати и защиты ценных бумаг.

Наука и образование. Научные и технические аспекты исследований, свя­занных с наноструктурами, имеют огромное значение для многих дисциплин, втом числе физики, химии, биологии, материаловедения, математики и техни­ки. Многие науки в процессе своего развития сталкиваются с проблемами на­ноструктур, поэтому работы в этой области будут способствовать их развитию и взаимообогащению. Междисциплинарные научные исследования и смешан­ные учебные курсы должны в будущем привести к созданию новых научных дисциплин и отраслей знаний. Дальнейшее развитие в этом направлении дол­жно повлечь за собой изменения в инфраструктуре высшего образования (эти изменения будут связаны и с персоналом, и с техническим оборудованием), а также создание соответствующей сети профессионального обучения, в особен­ности для подготовки специалистов-производственников.

Мировая торговля и международная конкуренция. Основным движущим фактором роста во всех отраслях экономики США является технология. В бу­дущем нанотехнологии должны внедриться практически во все производства, и поэтому инвестиции в развитие исследований имеют особое значение для упрочения позиций США на мировом рынке. Программа развития нанотехно­логии сулит огромные экономические преимущества в таких отраслях, как на - ноэлектроника, производство наноматериалов и другие производства, осуще­ствляемые в нанометровом масштабе. Эти отрасли имеют важное значение для экономики США, и преимущества от внедрения нанотехнологий должны зна­чительно повысить шансы страны в мировой конкурентной борьбе.

Следует ожидать, что развитие нанотехнологии окажет более сильное влия­ние на жизнь общества, чем использование микроэлектроники и интеграль­ных схем, поскольку нанотехнология затрагивает значительно большее число отраслей промышленности, чем электроника. В 21-м веке должны осущест­виться революционные преобразования науки и техники, которые приведут к коренным изменениям в производстве и социальной жизни. В принципе, на­нотехнология способна изменить все аспекты человеческого существования, поскольку она позволяет регулировать строение вещества и происходящие в нем процессы на фундаментальном уровне, определяющем электронные, хи­мические и биологические свойства. В настоящее время требуется выработка правильной стратегии развития нанотехнологии, которая позволит США осу­ществить очередной этап научно-технической революции и в максимальной степени воспользоваться ее плодами.