НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Послесловие

Р. А. Андриевский, А. В. Хачоян

Термин «нанотехнология» в 1974 г. был впервые использован японским уче­ным Танигучи на конференции Японского общества точного машинострое­ния [1,2]. Автор, специалист по обработке хрупких материалов, хотел обратить внимание специалистов на грядущий переход к обработке с ультравысокой точностью, прогнозируя, что к 2000 г. эта точность достигнет нанометрового интервала, что потребует применения как новых технологических приемов (в частности, лучевой обработки), так и соответствующего метрологического обеспечения.

Однако принципиальное значение малоразмерных объектов было подчер­кнуто значительно раньше (в 1959 г.) Фейнманом [3(a)][86]. При обсуждении проблем миниатюризации в лекции «Внизу полным полно места (There's plenty room at the bottom): приглашение войти в новый мир физики» подчер­кивалась актуальность работ в области сжатия информации, создания мини­атюрных компьютеров, овладения молекулярной архитектурой. Фейнман за­трагивал также проблемы смазки в малых узлах трения, обращал внимание на необходимость учета квантовых эффектов в небольших атомных ансамблях, указывал на важность понимания биологических явлений. Большие надежды он возлагал на химический синтез, отмечая при этом, что законы физики не запрещают конструирования на атомно-молекулярном уровне.

Часть идей Фейнмана была развита в диссертации Дрекслера, защищенной в 1981 г. в Массачусетском технологическом институте и посвященной моле­кулярной технологии; спустя несколько лет он издал книгу «Машины созида­ния: пришествие эры нанотехнологии» [4, 5]. Основываясь на биологических моделях, автор ввел представления о молекулярных робототехнических маши­нах. В противовес традиционному технологическому подходу «сверху — вниз» применительно к миниатюризации интегральных схем, было обращено вни­мание на стратегию «снизу — вверх», имея в виду поатомную и помолекуляр - ную сборку, о чем также упоминал Фейнман [3].

Известные атомные манипуляции на СТМ и АСМ (например, аббревиату­ра IBM, сложенная из 35 ксеноновых атомов на грани (110) никелевого моно­кристалла [6]; см. также гл. 1) продемонстрировали возможности нанотехноло­гии на атомном уровне и подтвердили предположения о реальности атомной архитектуры и атомного строительства. Пожалуй, именно с начала 1990-х гг. начинается бурный рост нанотехнологических исследований в связи с их мно­гообещающими приложениями в электронике, компьютерной технике и дру­гих областях. Этот факт подтверждается данными Science Citation Index (SCI) по цитированию работ Фейнмана и Дрекслера (табл. 1).

Как видно, начало и периоды роста цитирования Фейнмана и Дрекслера практически совпадают, но теперешняя цитируемость [3] остается высокой, а работ [4, 5] резко снизилась. Дело в том, что Фейнман, за исключением пио­нерной работы о квантовых компьютерах (1986 г.), насколько нам известно, больше не писал на эту тему, а у Дрекслера после [4, 5] выходили работы, кото­рые по частоте цитирования постепенно вытесняют первые публикации. Не исключено также, что декларативность многих футурологических положений [4, 5] уже кажется менее привлекательной, а пиетет к нобелевской классике [3] остается и даже растет.

При всей противоположности подходов «сверху—вниз» и «снизу—вверх» из­лишним кажется их безальтернативное противопоставление. Эти технологии скорее дополняют друг друга, что особенно ярко проявилось в новых комбини­рованных методах литографии (см. гл. 4). Интересно также, что заманчивый прогноз Дрекслера [7] создать методами «снизу—вверх» материалы типа алмаза, превосходящие сталь вчетверо по модулю упругости и в 50 раз по прочности, пока оправдался, помимо углеродных нанотрубок, только применительно к наноструктурным пленкам на основе нитридов и боридов, изготовленных тра­диционными методами магнетронного напыления и плазмо-акгивированного химического осаждения (см., например, [8,9]). Кстати эти методы, а также ион - но-лучевая обработка также могут быть отнесены к приемам «снизу — вверх»: от атомных зародышей до консолидированных наноматериалов. Работы по молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых наноструктур начались практически одновременно в СССР, Японии и США в начале 1970-х гг. [10].

В этой связи и химический синтез можно рассматривать как альтернатив­ный вариант молекулярной «физической» сборки (с помощью СТМ), которая особенно интенсивно развивалась в ходе исследований в области супрамолеку - лярной химии [И]. Прогресс в понимании процессов самоорганизации спо­собствовал развитию так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых связей (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) между молекулами и их ансамблями. Эти процессы обеспечивают дальнейшую организацию различ­ных межмолекулярных перемещений и создание молекулярных двигателей в качестве пусковых устройств, в которых могут быть фотохимические и элект­рохимические реакции (см., например, [11—14]). Принципы и примеры функ­ционирования искусственных молекулярных устройств и компонентов типа шестерен, роторов, тормозов, выключателей, челноков и т. д. подробно рас­сматриваются в обзорах [12,13]. Описаны также ситуации выполнения и более сложных операций типа функций транзисторов, сенсоров и входных логиче­ских устройств [13, 14]. О возрастающей роли химии в нанотехнологии см. так­же эссе A. JI. Бучаченко [15],

В качестве функциональных элементов в нанотехнологии могут быть и био­логические объекты — белки, нити ДНК и др. [16—19]. Нанобиомиметические объекты относятся к интенсивно развивающейся области нанотехнологии. Объединение физических, химических и биологических подходов, несомнен­но, будет способствовать получению существенно новых результатов, что от­мечал еще Фейнман [3]. Жизнь, как известно, — это наиболее яркий пример успешного функционирования наноансамблей. В этой связи прогресс в нано - биотехнологии важен и в теоретическом и в практическом плане.

Материаловедческие исследования — также, несомненно, важная состав­ляющая нанопроблематики. В 1981 г. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура кото­рых представлена кристаллитами наноразмерного интервала [20]. Эти работы потом получили большое развитие в США, Германии, Японии, России, Китае и других странах (см., например, [21—23]). Одна из первых отечественных работ по консолидированному нанокристаллическому никелю повилась в 1983 г. [24]. Наконец, открытие фуллеренов и нанотрубок также значительно обогатило арсенал нанообъектов (см., например, [25-28]).

Таков краткий обзор основных событий в нанотехнологии, который, ко­нечно, нуждается во многих уточнениях и добавлениях. Отметим лишь, что миКроорганизмы, тонкие составляющие горных пород, аэрозоли, катализато­ры, сажа, цеолиты, кластеры, ультрадисперсные порошки, квантовые ямы и точки, гетероструктуры и тонкие пленки — вот далЕко не полный перечень ма-_ лоразмерных объектОв, которыми наука занималась давно, задолго до «нано - ВзрыВа». РАзделение изотопов — тоже по существу атомно-молекулярная тех­нология. Так что Многие «старые» научно-технические направления вливают - ся в современНое понятие нанотехнологии. Поэтому такие методы получения консолидированных наноструктурных материалов, как порошковая техноло­гия, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация и технология нанесения наноструктурных покры­тий и пленок [23], также относятся к нанотехнологии. Однако далеко не все разделяют такой подход, и часто к нанотехнологии относят лишь то, что связа­но с наноэлектроникой и нанокомпьютерами; такое определение нанотехно­логии методологически представляется не совсем верным. Правда, при расши­ренном понимании термина «нанотехнология» оказывается, что ее границы

Размыты, но, как отмечает Нобелевский лауреат Лен [11] применительно к супрамолекулярной химии, размытость границ часто способствует взаимному обогащению и «перекрестному опылению» различных областей науки.

Многие археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире (например, так называемые «ки­тайские чернила» в Древнем Египте) [29]У современной нанотехнологии до­статочно глубокий исторический шлейф (см. также [30, 31])!

Широкий интерес к нанотехнологии в последнее время объясняется по край­ней мере тремя обстоятельствами. Во-первых, он связан с надеждами получить с ее помощью приниципиально новые устройства и материалы с характеристика­ми, намного превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороті и т. д. Во-вторых, нанотехнология и нано­наука оказались весьма широкими междисциплинарными областями, в которых сейчас интенсивно работают специалисты по физике, химии, биологии, меди­цине, технологии, наукам о земле, компьютерной технике, экономике, социоло­гии и т. д. В-третьих, нанопроблематика выявила много пробелов в наших как фундаментальных, так и прикладных знаниях, что также способствовало кон­центрации внимания научно-инженерного сообщества на этих проблемах.

Перечисленные факторы привели буквально к информационному взрыву. Уже сейчас в мире издается свыше 10 научных журналов, посвященных исклю­чительно нанотехнологии и малоразмерным объектам. Ниже приведены наи­более известные:

Nanotechnology

Joum. of Nanoparticle Research

Physics of Low-Dimensional Structure

Nanoletters

Physica E: Low-Dimensinal Systems & Nanostructures

Supperlattices and Microstructure Joum. of Sol-Gel Science and Technology Fullerene Science and Technology Joum. of Nanoscience and Nanotechnology Joum. of Cluster Science Including

Nanoparticle Materials Microporous and Mesoporous Materials

Имеются также электронная версия Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials (Http://www. ttp. net/journals) и виртуальный Journal of Nanoscale Science and Technology, выходящий еженедельно в Интернете (Http://www. vjnano. oig) с публикацией названий статей, выходящих в физических журналах. Многие из ведущих научных журналов имеют постоянную рубрику, где систематически публикуются статьи по нанопроблематике (например, Физика твердого тела, Journal of Applied Physics, Langmuir и др.).

В 2000 г. изд-во Academic Press выпустило пятитомный справочник по на - ноструктурным материалам и нанотехнологии (3461 сс. [34]). 62 главы этого

Справочника написали 142 специалиста из 16 стран; количество ссыпок соста­вило 10 300. Сейчас в изд-ве American Scientific Publishers готовится к изданию энциклопедия «Нанонаука и нанотехнология».

По данным [35], общее количество публикаций по нанопроблематике к 1998 г. составило около 8500. Естественно, что в условиях столь быстрого на­копления литературных источников наши цитирование и дополнения литера­туры к отдельным главам носят выборочный характер.

Поток информации по нанотехнологии интенсивно пополняется не только за счет журнальных публикаций, но и за счет патентов и статей сборниках тру­дов конференции, симпозиумов, семинаров и т. д. Ежегодно в мире проводит­ся 50—60 коммуникационных мероприятий международного масштаба[87], не го-

Воря уже о многочисленных национальных и локальных встречах. Все они со­провождаются изданием сборников трудов или специальными выпусками журналов.

Попытки наукометрического анализа информационного потока в области нанотехнологии предприняты в ряде работ (см., например, [36—38]). Этот ана­лиз представляет интерес для сопоставления развития исследований и разра­боток в разных странах и регионах. В табл. 2—4 приведена такая информация, основанная на базе данных SCI (поиск проводился по ключевым словам, со­держащим NANO, без учета слов типа «наносекунда»). Из этих таблиц можно сделать следующие выводы:

• По количеству публикаций Западная Европа в целом опережает США, хотя по отдельности каждая из стран значительно уступает США.

• В период до 1996-1997 гг. количество исследований было значительно больше числа фактов их технической реализации (количество патентов было относительно небольшим).

• Обращает на себя внимание значительный объем публикаций в КНР, в частности АН КНР. Если в других странах и регионах доля публикаций по нанопроблематике в общем количестве статей составляет 0,6—1,35%', то в КНР эта доля значительно больше (~ 2,7%) (табл. 3).

• Заметен рост информационного потока в целом (данные за периоды 1988-1997 гг. и 1999 г. - июль 2000 г.; табл. 2 и 3).

• Доля российских исследований достаточно скромна.

Вместе с тем в бывшем СССР и России имеются давние и плодотворные традиции в изучении малоразмерных объектов, что в наибольшей степени проявилось в присуждении Ж. И. Алферову в 2000 г. Нобелевской премии за работы в области полупроводниковых гетероструктур. В Москве, Подмо­сковье, С. Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Уфе, Красноярске,

Нижнем Новогороде, Томске и др. городах трудится много высококвалифи­цированных научных коллективов в ряде академических, учебных и отрасле­вых институтов (см. также [40]). Несколько лет назад появились Институт на­нотехнологий Международного фонда конверсии (Москва) и Институт физи­ки перспективных материалов при Уфимском авиационном техническом университете. Первый из них разрабатывает нанотехнологические установки типа «Луч» и нанотехнологические процессы [41], а второй занимается нано - структурными материалами, получаемыми методами интенсивной пластиче­ской деформации [42]. Эфективно работает Научно-производственное пред­приятие «Высокодисперсные металлические порошки» (Екатеринбург) — разработчик и производитель уникальных противоизносных, антифрикцион­ных и других препаратов [43].

В области нанотехнологии и наноматериалов осуществляется несколько программ Российской АН, Министерства промышленности, науки и техно­логий, Министерства атомной промышленности и др. Ряд проектов россий­ских исследователей поддерживается такими фондами, как РФФИ, ИНТАС, CDRF, «Наука ради мира» (НАТО) и др. В нескольких вузах орга­низовано специализированное обучение по нанопроблематике. Регулярно проводятся конференции, семинары, школы, в том числе и международно­го масштаба.

Однако известные трудности в развитии отечественной науки в целом — слабое общее финансирование, практическое отсутствие инноваций, устарев­ший приборно-технический парк, вялый приток молодых кадров и т. д. — все это, как и отсутствие Национальной программы типа ННИ США, естественно, сказывается на развитии наших работ в области нанонауки и на­нотехнологии. Отметим также, что представление о нанопроблематике как о глобальном самостоятельном междисциплинарном направлении, оказываю­щем глубокое влияние на весь комплекс человеческой деятельности, еще не стало достаточно распространенным в нашей стране. В капитальном труде о науке и высоких технологиях в России на рубеже третьего тысячелетия [44] нанопроблематика упоминается лишь применительно к наноэлектронике.

Таким образом, данные табл. 2—4 в основном верно отражают положение России в мировом «наносообществе», где развернулось серьезное соревнова­ние за мировое лидерство не только в сфере получения принципиально новых научных знаний, но и за будущие рынки сбыта наукоемкой высокотехнологич­ной продукции[88]. По данным Der Spiegel [47], оборот мирового рынка нанопро - дукции в 2001 г составил 100 млрд. нем. марок (около 45 млрд. амер. долл.). По американским прогнозам [48], через 10—15 лет ежегодный оборот этого рынка составит около одного триллиона амер. долл., включая

• 340 млрд. в сфере наноматериалов, которые не могут быть получены тра­диционными методами;

• 300 млрд. в области полупроводниковой промышленности;

• 180 млрд. в области фармацевтики;

• 100 млрд. для катализаторов в нефтехимической промышленности;

• 70 млрд. в области транспорта;

• 100 млрд. в области охраны окружающей среды и сохранения энергетиче­ских ресурсов.

В этом перечне не учтены достижения, связанные с увеличением продол­жительности жизни и улучшением здоровья. Британский Институт нанотехно­логии предлагает более сдержанный прогноз: оборот глобального рынка на - нопродуктовв2010г., как ожидается, составит около 145 млрд. амер. долл. [49]. На прошедшем в США семинаре «Социальные последствия нанонауки и на­нотехнологии» (сентябрь 2000 г.) [48] отмечалось, что в ближайшие 10—20 лет нанотехнология фундаментально изменит науку, технику и общество. Вместе с тем указывалось на возможную опасность нанотехнологических новшеств, особенно в связи с их влиянием на информационную, биологическую, меди­цинскую и военную сферы (см. также [50, 51]). Подчеркивалась важность ком­плексных междисциплинарных естественно-научных и экономико-социаль­ных исследований. Признано необходимым осуществлять краткосрочные (на 3—5 лет), среднесрочные (5—20 лет) и долгосрочные (свыше 20 лет) программы таких исследований. На семинаре отмечалось, что в настоящее время нанотех­нология находится на начальной стадии развития, поскольку полученные на­ноструктуры и наноустройства пока в основном довольно примитивны и дале­ко не исчерпывают потенциальных возможностей нанонауки.

Пустое пространство внизу, о котором говорил Фейнман [3], постепенно заполняется, но впереди еще много работы.