Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Рис. 1. Надпись на монокристалле никеля из атомов ксенона

никеля они выложили название своей фирмы (рис. 1). Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго — атомы быстро «испарились» с поверхности, однако 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.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Технион) в честь 60-летия создания своего государства создали уже целую нанокнигу — Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм2 (размер булавочной головки).

Текст был набран с помощью фокусированного ионного пучка (focused ion beam — FIB), вытравливавшего (с помощью ионов галлия) узор на золотой подложке (толщиной 200 нм), покрывавшей основание из кремния. Если само нанесение текста заняло не более полутора часов, то программное обеспечение для управлявшего этим процессом компьютера разрабатывалось более трех месяцев.

30

— Возникновение иразвитие нанонауки—

Ознакомиться с содержанием этой Библии можно только с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллере-на (фуллерита) был предложен в 1990 году Вольфгангом Креч-мером

(Wolfgang Kratschmer) и Давидом Хафманом (David Huffman) с

коллегами в Институте ядерной

в 1991 году японский исследователь Сумио Ииджима (Sumio lijima) из компании NEC (сокр. от англ. Nippon Electric Corporation). В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Его заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной (подобной карандашу), или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по краям полусферическими крышечками из семиили восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

На электронных микрофотографиях (рис. 2), полученных на трансмиссионном электронном микроскопе с высоким разрешением, были обнаружены цилиндрические молекулы с пятью (а), двумя (Ь) и семью (с) концентрическими стенками (S. lijima, Nature, London. 1991. Vol. 354, p. 56).

31

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Рис. 2. Первые электронно-микроскопические изображения многослойных коаксиальных углеродных нанотрубок

сразличным числом концентрических стенок:

а— пять; Ь— две; с— семь

Первые синтезированные нанотрубки были многослойными, и сразу возникла задача синтеза однослойных углеродных нанотрубок. В результате исследований С. Ииджимой было установлено, что добавление небольшого количества порошка катализатора (кобальта, никеля или железа) в графитовые электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. Металлическая добавка является катализатором, предотвращающим образование фуллеренов и многослойных нанотрубок. При этом наличие катализатора также обеспечивает снижение температуры синтеза, в результате температура вольтовой дуги не превышает температуру, при которой нанотрубки спекаются или сливаются друг с другом.

Следует отметить, что теоретическая возможность образования цилиндрической нанотрубки была предсказана значительно раньше, в 1977 году, советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании было высказано русским ученым Леонидом Александровичем Чернозатонским.

В научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в 1952—1953 годах, но детально они изучены не были.

— Возникновениеиразвитиенанонауки—

Также в 1991 году началась разработка первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Аналогичную программу разрабатывали в Японии по поручению правительства. Была намечена серия проектов, направленных на создание приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, и в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены. В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже.

Всвоей следующей не менее известной книге Nanosystems:

Molecular Machinery, Manufacturing and Computation («Наноси-

стемы. Молекулярные механизмы, производство и программирование»), вышедшей в свет в 1992 году, К. Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологии в новом научно-практи- ческом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц — нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным оставалось создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединявший

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», в которых публиковалось множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам, их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создавались лаборатории и отделы наноструктур, которые возглавляли известные ученые.

На пятой Форсайтовской конференции К. Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие пять лет (1998—2003 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.

В 1998 году Роберт Беттс Лафлин (Robert Betts Laughlin),

Хорст Людвиг Штермер (Horst Ludwig Stormer) и Дэниел Чи Цуи (Daniel Chee Tsui) были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, заключающегося в том, что в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.

Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер (Siz Dekker) создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

Вэтом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.

ВЯпонии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

— Возникновение иразвитие нанонауки—

Еще через год (в 1999 году) американские ученые — физик Марк Рид (Mark Reed, Йельский университет) и химик Джеймс Тур (James Tour, Райсский университет) — разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.

В2000 году немецкий физик Франц Гиссибл (Franz Giessibl) разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле (Robert Magerle) предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.

В2003 году профессор Фенг Лью (Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссибла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокругядра.

Развитые страны мира очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий на уровне правительств и глав государств, оценив, какие перспективы это может принести в будущем. В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологий» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством — в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологий — квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также направленных на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них — Atom Craft project

иАопо project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правитель-

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нанотехнологий с целью поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

С 2001 года в США реализуется федеральная программа

под названием National Nanotechnology Initiative (AW/- «Нацио-

нальная нанотехнологическая инициатива»). В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций-участни- ков в области развития нанонауки, наноинженерии и нанотехнологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долл.).

С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21st

Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследо-

вании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.

В соответствии с этим документом пять государственных организаций — Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA), Управление по охране окружающей среды — для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд. долларов сроком на четыре года. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной

36

— Возникновение иразвитие нанонауки—

безопасности и Национальным институтом здравоохране-

ния.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологий). Правительства и частный сектор все больше осознают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому в сфере наноматериалов накопились огромные фонды от частных предприятий и правительств.

Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» (ENA), основная цель которой — содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.

По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологий достигли 6 млрд. долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (дан-

ные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Боль-

шая часть из них (около 10%) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.

Вцелом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он уже превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти.

В2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера (Herbert Kromer) и Джека Килби (Jack St. Clair Kilby) Нобелевской премией в области физики за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них — «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки наногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверхмикрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК- и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими

38

— Возникновение и развитие нанонауки —

свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополимерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных имплантатов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук — Отделение нанотехнологии и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал член президиума РАН, академик Евгений Павлович Велихов, а его заместителем — академик РАН Ж. И. Алферов.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпораци-

ей НТ-МДТ (Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физико-технического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT-MDT Со. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомно-си- лового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 3).

Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 г. № 498 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Цель данной программы — создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В стране накоплена обширная научная база по нанотехнологиям. Однако ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов они не могут самостоятельно развивать исследования и внедрять результаты в производство.

Для содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развития инновационной инфра-

39