Нанотехнологии: от отрицания до признания – за четыре года

Нанотехнология, подразумевающая возможность манипуляции отдельными молекулами и атомами вещества, – уникальная область науки. Авторитетные ученые, традиционно скептически относящиеся ко всем необычным и малоисследованным веяниям, обычно сдержанно оценивают перспективы развития различных областей знаний, как правило, редко занимаются прогнозами и крайне неохотно меняют свои взгляды. Так было в истории практически всех естественнонаучных дисциплин, и тем удивительнее перемена в отношении научных кругов к нанотехнологиям. Вплоть до 1998 г., когда появился первый транзистор наномасштаба, практические возможности применения нанотехнологий в академических кругах считались фантастикой. Затем, буквально в течение двух-трех лет, ученые мужи сменили гнев на милость, и в качестве возможных сроков появления первых прикладных нанопроектов уже назывались ближайшие 15–30 лет. Однако прошло всего четыре года, и мир захлестнула волна сообщений о работающих наноустройствах, собранных из отдельных молекул или даже атомов, и новых материалах, созданных с помощью нанотехнологий. Сегодня подобные новости воспринимаются как рядовые и очевидные.

С чем связана такая перемена? Прежде всего со стремительным ростом инвестиций в нанотехнологии, которые быстро привели к первым сенсационным достижениям, а также с весьма заманчивыми перспективами, обрисованными известными футурологами. Ведь наномеханизмы теоретически могут собирать любые вещи из произвольного подручного материала, что приведет к массовому изобилию, а наноустройства, запущенные в организм человека, способны следить за функционированием клеток и корректировать ход их жизнедеятельности в случае различных отклонений от заданных значений, в результате чего человек никогда не будет болеть и сможет жить вечно.

Рекламная шумиха подтолкнула инвесторов к более активным действиям, вложения быстро принесли новые захватывающие результаты. Такой самораскручивающийся процесс привел к тому, что в 2003 г. суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологии достигли 6 млрд. долл. Еще в 1998 г. объем этих инвестиций был на два порядка меньше!

В США Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI) стартовала в 2000 г. Первоначально на исследования было выделено 270 млн. долл., в текущем году американские нанотехнологии освоили уже 770 млн. бюджетных денег, на следующий год ожидается финансирование в размере 849 млн. долл., а в ближайшие три года вложения составят 2,4 млрд. долл. Большая часть этих инвестиций поступает в Национальный научный фонд США, министерства обороны и энергетики. Китай в прошлом году израсходовал на наноисследования 200 млн. долл., Япония – 750 млн., а в этом году ее инвестиции в нанотехнологии достигнут миллиарда долларов.

В 2003 г. государства всех стран мира потратили на нанонауку 2 млрд. долл., в результате чего данная научная область стала самой финансируемой. Немаловажно, что сфера нанотехнологий удобна для инвестиций, так как в ней действует ограниченное число наукоемких команд по небольшому перечню прорывных направлений. Но пока усилия специалистов сосредоточены на создании и совершенствовании средств нанопроизводства – сложных программно-аппаратных комплексов, активно использующих достижения искусственного интеллекта и упрощающих проектирование и визуализацию работы наномеханизмов, подчиняющихся нелинейной логике физики частиц.

Но инвестиции делаются, конечно, в расчете на ощутимую отдачу. И она не за горами. По данным английского министерства торговли, в 2005 г. спрос на услуги рынка нанотехнологий достигнет 100 млрд. долл., а к 2015-му вырастет в 10 раз, после чего темпы роста значительно снизятся. В этой сфере к тому времени будет задействовано 2 млн. работников.

Уже с 2006 г. должна резко возрасти практическая отдача от сегодняшних наработок. Через 3–5 лет начнется активный дележ рынка, а передел его закончится к 2010–2015 гг. Прогнозируемый раздел рынка между промышленными направлениями показан в табл. 1, а между странами – в табл. 2.

Табл. 1. Раздел рынка нанотехнологий по направлениям

Направление	Доля рынка, %
Новые материалы	30–35
Полупроводники	18–25
Устройства хранения данных	15–20
Биотехнологии	9–14
Полимеры	8–12
Электрохимия	3–5
Оптика	2–4

Табл. 2. Раздел рынка нанотехнологий по странам

Страна	Доля рынка, %
США	40–45
Япония	25–30
Европа	15–20
Азия	5–10

Источник: "International Strategy for Nanotechnology Research and Development", U.S. National Science Foundation, 2001

По активности научных исследований первые пять мест занимают США, Япония, Китай, Германия и Франция. А Китайский научно-технический университет по числу публикаций в этой области держит второе место следом за Калифорнийским. В КНР только с 2000 г. открылись 600 компаний, занимающихся нанотехнологиями.

Шимон Перес, лидер Партии труда Израиля и ее бывший премьер-министр, посетил этой осенью прошедший в США Всемирный наноэкономический конгресс, где просил инвесторов выделить его стране 300 млн. долл. на наноинициативу. В последний раз схожую активность г-н Перес проявил 45 лет назад в отношении работ Израиля над ядерным оружием.

Давайте познакомимся с нанотехнологиями поближе. Чтобы получить представление о потенциале данного направления, взглянем на историю и сегодняшнее состояние этой науки, а также узнаем мнение ведущих экспертов о ее ближайшем и отдаленном будущем.

Из истории нанотехнологий

Один нанометр (от греческого "нано" – карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру. Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.

 

 

1932 год. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме "Цейс", но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.

1939 год. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.

1966 год. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нанометр = 10 ангстрем).

1968 год. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

1971 год. Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

1982 год. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах. Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи – острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.

1985 год. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 год. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.

1986 год. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул. Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью – в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.

1987–1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П. Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

1989 год. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании. Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго – атомы быстро разбежались с поверхности. Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.

1991 год. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали. Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными – их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор – робот размером с человека, состыкованный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу. Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.

1991 год. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.

1997 год. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.

1998 год. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

В Японии запущена программа "Astroboy" по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.

1999 год. Американские ученые – профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) – разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.

2000 год. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.

Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.

Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.

2001 год. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.

2002 год. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).

2003 год. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

На NNI отпущено 770 млн. долл. В бюджете NNI 2004 г. заложена сумма 849 млн. долл.

2000 г. Ж.И. Алферов, Г. Кремер, Дж. Килби – получили Нобелевскую премию за работы по созданию полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем.
Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии - создания трехмерной картины строения вещества с разрешением 100 нм.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
2004 г. В Манчестерском университете создан материал графен, который может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств.
В Стенфордском университете создали транзистор из одностенных углеродных нанотрубок, размером 3 нм в длину и 2 нм в ширину. Нанотрубки играли роль электродов, а помещенный между ними органический материал - полупроводника.
Администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу”
2005 г. В компания Intel создали прототип процессора размером около 65 нм. Пока в нем использует комплементарные металл-оксидные полупроводники, но в планах - перейти на квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки.
В лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 50 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц. Наноаккумулятор
2006 г. в МИРЭА появился НАНОклуб
2007 г. 16 апреля вышел первый номер клубной газеты НАНОэлектроника.
2007 г. 19 июля. Учреждена государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»)Генеральным директором корпорации назначен Л. Б. Меламед