НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

ЦЕЛИ, ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Фундаментальные свойства изолированных наноструктур. В нанотехнологии отдельные структурные составляющие выступают в качестве «строительных блоков», свойства которых нам еще предстоит изучить, поскольку пока нет теоретической основы для организации производства идентичных нано­структур, и взаимодействие каждой наноструктуры с окружением носит ин­дивидуальный характер. В изучении фундаментальных свойств наноструктур можно выделить две основные проблемы. Во-первых, свойства таких струк­тур и материалов на их основе качественно меняются с изменением размеров, вследствие чего возникает очень важная проблема нахождения закономерно­стей размерных эффектов (скейлинга), а также сравнения данных теории и эксперимента при таких преобразованиях. Во-вторых, свойства изолирован­ных наноструктур характеризуются значительным статистическим разбро­сом, изменяющимся во времени. Изучение природы этих изменений должно дать важную информацию.

Многие ключевые вопросы связаны со структурой, т. е. с расположением атомов внутри наноструктуры. В наномасштабе относительная стабильность различных элементов структуры может изменяться в зависимости и от кине­тических, и от термодинамических факторов. Изменения могут быть вызва­ны различными причинами, включая поверхностную энергию, размерные квантовые электронные эффекты и т. д. Отсюда следует необходимость тщательного изучения кинетики и термодинамики фазовых переходов в на - ноструктурных системах. Для полного описания физических свойств необ­ходимо также определить структуру поверхности нанообъектов, поскольку (из-за малых размеров таких объектов) именно форма и состав поверхности могут определять их физические и химические свойства. При этом поверх­ность изучаемых объектов может изменяться в очень широком диапазоне (при изменении самих объектов от изолированной наноструктуры до макроскопического образца), вследствие чего необходима разработка совер­шенно новой экспериментальной техники, позволяющей исследовать по­верхность при таких преобразованиях структуры. Новая аппаратура должна не столько измерять, сколько прослеживать изменения структуры наномате - риалов (на поверхности и в объеме). Создание такой аппаратуры может стать одним из главных направлений экспериментальных исследований в бли­жайшем десятилетии.

Разработанные в последнее время экспериментальные методики (в ко­торых используются одноэлектронные транзисторы, сканирующая зондо - вая микроскопия и спектроскопия отдельных молекул) не только позволи­ли исследовать разнообразные свойства (оптические, электрические, маг­нитные, химические, тепловые, механические и биологические) отдельных наноструктур, но в корне изменили наши представления о природе нано - структурных материалов. Ранние работы показали необходимость разра­ботки принципиально новых методов исследования фундаментальных свойств, которые могли бы обеспечить требуемую точность измерений в на­нометровом масштабе и постоянный рост чувствительности и разрешаю­щей способности по времени.

Эти работы также показали, что нанообъекты по своей природе являются флуктуационными, и еще предстоит понять физическую сущность и фунда­ментальные пределы этих флуктуаций. Например, для проблемы квантовых компьютеров чрезвычайно важен вопрос о возможности создания «хорошо оп­ределенной» суперпозиции квантовых состояний (без быстрой дефазировки) в наноструктурах.

Фундаментальные характеристики ансамблей изолированных наноструктур.

Наноструктуры могут иметь разнообразные применения, однако очень часто исследователей интересует также их объединение в сложные, функци­ональные ансамбли. Свойства наноразмерных элементов структуры опреде­ляются размером, формой и расположением всех атомов в таких элементах. В настоящее время точно не установлены механизмы зарождения и форми­рования таких структур и неясно, какое число атомов может составлять точ­но определенную молекулярную структуру. Даже у системы, полученной в «идеальном» химическом процессе, неизбежно будут существовать отклоне­ния. Поэтому необходимо выяснить, какие из свойств системы сохраняются или даже упрощаются при усреднении таких отклонений и какие утрачива­ются.

Ансамбли из наноразмерных элементов. Для создания функциональных ансамблей из наноструктур необходимо знать, каким образом эти структуры могут соединяться друг с другом, т. е. изучить теоретически и эксперимен­тально различные параметры их взаимодействия (разделение и перенос за­рядов, туннелирование, электромагнитную, химическую и механическую связи).

Исследователи имеют в своем распоряжении широкий набор методик создания сложных наноструктур, в который входят литография (электронно­лучевая и рентгеновская), сканирующая зондовая микроскопия, мягкая лито­графия, самосборка, каталитическое выращивание и т. д. Все эти методы (за исключением электроннолучевой и рентгеновской литографии) находятся на ранних стадиях разработки и обладают большими возможностями.

Еще одной областью исследований является химический синтез новых объемных и сыпучих веществ. За последние годы было получено много мате­риалов такого типа (коллоиды, магнетики, углеродные нанотрубки и их анало­ги, аэрогели и многие другие). Физические свойства большинства этих матери­алов изучены пока недостаточно; можно ожидать открытия новых свойств та­ких материалов, связанных, например, с удерживанием электронов и фотонов, с повышением отношения поверхность/объем и другими эффектами малого размера.

Изучение наноансамблей представляет большой интерес для специалистов по молекулярной биологии, генной технологии и производству белковых пре­паратов (например, для синтеза необходимых количеств протеинов требуемо­го типа). В проектах, связанных с генной инженерией, всегда присутствуют на­правления по методике сборки, поскольку развитие биотехнологий требует разработки способов производства значительных количеств различных генети­ческих материалов.

Отметим, что ключевой проблемой является выяснение закономерностей объединения изолированных наноструктур различного типа в ансамбли.

Исследования принципов работы наноструктурных устройств и систем. Ис­следования в области синтеза и применения наноструктурных систем в зна­чительной степени сдерживаются тем, что до сих пор неизвестны принципы взаимодействия и объединения таких структур друг с другом, что не позволя­ет выработать стратегию получения новых функциональных характеристик. Например, в наноэлектронике предложено много разрозненных технических приемов для решения некоторых из поставленных выше задач (в частности, использования нанотрубок в качестве проводов для электрического или даже оптического соединения отдельных элементов, полученных сканирующим зондированием), однако практически нет серьезных исследований, посвя­щенных получению систем. Остаются нерешенными проблемы выбора мате­риала для таких «проводов», техники соединения элементов, архитектуры си­стем и т. д.

Внимание исследователей сейчас сфокусировано на изучении и изготовле­нии отдельных устройств, например одноэлектронных транзисторов или уст­ройств с резонансным туннелированием. В то же время лишь очень неболь­шое, явно недостаточное число работ посвящено принципиальным вопросам электротехники на наноуровне (т. е. изучению характеристик протекания тока в устройствах с очень высокой плотностью упаковки элементов), проблемам помехоустойчивости таких систем и их чувствительности к дефектам, вопро­сам электроизоляции, объединения устройств в большие системы и т. д. Оста­ются нерешенными фундаментальные проблемы, связанные с созданием «матриц» наноструктурных квантовых устройств, способных выполнять доста­точно сложные функции. Аналогично ситуации в наноэлектронике, решение важных задач интеграции в наномасштабе может быть связано с дисперсиями, нанокомпозитами и т. д.

Получение наноструктур. Разработка недорогих методов изготовления на­ноструктур в больших количествах (т. е. организация их промышленного производства) — одно из важнейших направлений исследований, так как на­нонаука может добиться реальных успехов лишь тогда, когда появятся эконо­мически выгодные технологии. Возможно, что методики, эффективные при синтезе структур с размерами порядка 100 нм, окажутся бесполезными, на­пример, в области размеров 20 нм, и тогда придется разрабатывать совершен­но новый набор методик производства наноструктур. Можно надеяться, что самосборка и мягкая литография станут основными методами получения на­ноструктур, однако необходимо продолжать поиск и других, принципиально новых подходов.

Связь нанонауки с биологией. Для фундаментальной науки особое значение имеет поиск синергии, т. е. сочетания принципов и подходов, разработанных в различных областях нанонауки. В этом контексте важна связь биологии с ме­тодами нанотехнологии, развитыми в вычислительной технике, информатике, физике твердого тела и химии. Безусловно, понимание структуры и механизма функционирования биологических наноструктур должно стимулировать ис­следования в области неорганических материалов. Возможно, что биологиче­ские наноструктуры удастся использовать для сборки наноустройств. С другой стороны, разработка наноустройств сможет привести к созданию новых анали­тических методов исследования биоматериалов (в геномике, протеомике, скрининге (массовом обследовании) лекарственных препаратов), а также внутренней структуры и функций клеток. Поэтому одной из главных целей на­нонауки должно стать создание прочных концептуальных связей между раз­личными научными дисциплинами (особенно между наноэлектроникой и мо­лекулярной биологией).

Молекулярная электроника. Эта область представляется весьма заманчи­вой основой для создания нанонауки. Органические молекулы (которые, по-видимому, следует рассматривать как самые малые многофункциональ­ные системы) являются, к сожалению, плохими электрическими проводни­ками. Эксперименты показывают, однако, что во многих системах органи­ческие молекулы могут служить своеобразными молекулярными «провода­ми», а иногда выступать в качестве компонентов более сложных систем. Научные основы молекулярной электроники только разрабатываются, и по­ка неясно, насколько хорошо органические молекулы (даже если они прово­дят электрический ток) подходят по своим свойствам для использования в крупномасштабных наноэлектронных технологиях. Исследования в данном направлении должны, прежде всего, определить реальные возможности мо­лекулярной электроники.

Наноструктуры как модельные системы в науках о Земле и других планетах. Наноразмерные компоненты выступают в качестве основных элементов структуры в химии твердого тела, и поэтому исследования наноструктур могут привести к расширению наших представлений о фундаментальных процессах геологии и планетообразования. Изучение наноструктур может дать новую ин­формацию о межзвездном веществе, механизмах минералообразования, вы­ветривания горных пород и т. д.