НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК

Развитие нанонауки за последнее десятилетие было связано в основном с разработкой новых методик создания, исследования, описания и модифика­ции наноструктур.

Законы скейлинга и размерно-зависимые свойства изолированных нанострук­тур. В настоящее время установлено, что многие фундаментальные свойства ве­ществ (температура плавления, остаточный магнетизм, ширина запрещенной зоны в полупроводниках) в значительной степени определяются размерами кристаллов в нанометровом интервале. Многие свойства твердых тел связаны с характерным размером, ниже которого эти свойства изменяются. Например, диаметр экситона в полупроводниках составляет от десятков до сотен наномет­ров, расстояние между стенками доменов в магнитных материалах — сотни на­нометров и т. д. Это открывает возможность перехода к новому поколению ма­териалов, свойства которых изменяются не путем изменения химического со­става компонентов, а в результате регулирования их размеров и формы. Такой подход сулит большие перспективы и для фундаментальной науки (например, для физики конденсированных сред, химии твердого тела, материаловедения, электроники, биологии и т. д.).

Аппаратура для исследования характеристик наноструктур. Революция в ис­следовании наноструктур началась с использования сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), и разработка новой аппаратуры такого типа продолжает­ся быстрыми темпами. Кроме того, широко используются и некоторые тради­ционные методики, особенно электронная микроскопия. В биологических исследованиях сочетание рентгеновской кристаллографии и ЯМР-спектро - скопии позволяет получать информацию о структурах с атомным разрешением для достаточно сложных объектов (типа вирусов).

Получение и синтез наноструктур. Методы синтеза и изготовления изоли­рованных наноструктур непрерывно совершенствуются и развиваются. Исследования проводятся в широкой области — от синтеза наноструктур в коллоидах до создания эпитаксиальных «квантовых точек» при послойном выращивании кристаллов. Разрабатываются методы получения фуллеренов, углеродных нанотрубок и других одномерных и многомерных наноструктур, а также методики изготовления мезопористых[2] неорганических материалов. Проводится наномасштабный молекулярный дизайн полимеров, включая синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров. В молекулярной биоло­гии успешно развиваются многочисленные методики получения биологиче­ских наноструктур с использованием клонирования и так называемого «сверхсинтеза» бактерий.

Несмотря на все эти достижения в области создания изолированных на­ноструктур, изучение направленной самосборки этих структур в более сложные и объемные объекты еще только начинается. Пока разработка методов создания более сложных наноструктур ведется в направлении уг­лубления и развития уже имеющихся микроэлектронных технологий (фо­толитография, рентгеновская литография и литография с использованием электронных пучков). В последнее время появились и новые методики, ко­торые, возможно, позволят не только получать новые типы структур, но и широко применять существующую технику микролитографии, что может оказаться весьма продуктивным. Так называемые «мягкие» методы лито­графии (с использованием литья, печати и тиснения) позволяют создавать по «шаблонам» структуры в пластмассах и стеклах, что расширяет диапазон используемых материалов и дает возможность синтезировать трехмерные структуры новых типов.

Методы расчета и моделирования. Обычно наноструктуры содержат неболь­шое число атомов (по крайней мере, по сравнению с большинством известных материалов), что делает их подходящими объектами для моделирования на ЭВМ. Расчеты характеристик наноструктур представляют большую ценность как для теоретических, так и прикладных задач.

Другие возможные применения. В рамках существующих технологий можно указать ряд направлений, в которых использование наноструктур и наноинст - рументов является перспективным:

• Материалы с эффектом ГМС, промышленное производство которых стремительно развивается в последние годы. Их применение подтвержда­ет важность магнитных материалов, в которых средний свободный пробег электрона с переворачиванием спина может регулироваться в наномасш - табе.

• Предложены разнообразные наноустройства и наносистемы для иденти­фикации (секвенирования) первичной структуры ДНК, что может сыг­рать важную роль в проекте «Геном человека» и других крупномасштаб­ных программах, связанных с генной инженерией. Весьма вероятно, что неорганические наноструктуры найдут разнообразные применения в био­логии и медицине (например, в качестве маркеров).

• Предложено много новых идей по созданию запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации. Речь идет об устройствах за­писи или магнитных носителях информации (например, на основе нано - структурных материалов с эффектом ГМС или туннельным магниторези - стивным эффектом), которые обеспечивают очень высокую плотность записи.

• Активно разрабатываются новые типы компонентов информационных процессоров, основанных на принципах квантовой механики (резонанс­ные туннельные транзисторы, одноэлектронные транзисторы, клеточные автоматы на квантовых точках) для использования в будущих квантовых вычислительных устройствах.

• Начато коммерческое производство новых защитных покрытий, тонко­слойных оптических фильтров и тепловых барьеров, наноструктурных по­лимеров и катализаторов. Выпускаемые наноструктурные покрытия обла­дают достаточно высокой коррозионной стойкостью и уже могут заменять многие используемые для этой цели материалы (получаемые в основном из соединений хрома), небезопасные с экологической точки зрения.

• В каталитической химии и энергетике важное значение может иметь внед­рение новых типов аэрогелей (высокопористых материалов с трехмерным губчатым строением, получаемых из наноструктур).