Вы здесь
Что такое нанотехнологии
Новые технологии – это то, что двигает человечество вперёд на его пути к прогрессу. Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства, в котором мы живём.
Считается, что зарождение многих технологий, которые мы до сих пор используем, произошло на рубеже XVIII и XIX веков, когда на смену ручному труду пришли тепловые двигатели - сначала в текстильной, а затем и в других отраслях промышленности. Этот скачкообразный переход к машинному производству обычно называют промышленной революцией. Промышленная революция привела не только к массовому применению машин, но и изменению всей структуры общества – произошла трансформация аграрного общества в индустриальное. В результате резко выросли производительность труда и уровень жизни людей.
Промышленная революция, начавшись в текстильной промышленности, подтолкнула развитие технологий железнодорожного сообщения. В свою очередь, дальнейший рост перевозок различных товаров был невозможен без новых технологий автомобилестроения. Так, каждая новая технология всегда вызывает рождение и развитие смежных технологий.
Вторая мировая война способствовала рождению новых технологий – информационных, и поэтому период времени, в который мы живём, называют информационной революцией (см. рисунок). Начало информационной революции совпало с развитием компьютерных технологий, без которых жизнь современного человека кажется немыслимой.
Развитие компьютерных технологий всегда было связано с миниатюризацией элементов электронных схем. В настоящее время размер одного логического элемента (транзистора) компьютерной схемы составляет около 10-7 м, и учёные полагают, что дальнейшая миниатюризация элементов компьютера возможна только тогда, когда будут разработаны специальные технологии, получившие название «НАНОТЕХНОЛОГИИ».
Что такое «нано»?
В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80 000 нм.
На рисунке слева направо в порядке роста размеров показаны самые разные объекты – от атома до Солнечной системы. Человек уже научился извлекать выгоду из объектов самых разных размеров. Мы можем расщеплять ядра атомов, добывая атомную энергию. Проводя химические реакции, мы получаем новые молекулы и вещества, обладающие уникальными свойствами. С помощью специальных инструментов человек научился создавать объекты – от булавочной головки до огромнейших сооружений, которые видны даже из космоса.
Однако, если взглянуть на рисунок, то можно заметить, что существует довольно большой диапазон (в логарифмическом масштабе), куда долгое время не ступала нога учёных – между сотней нанометров и 0,1 нм. С объектами, имеющими размер от 0,1 нм до 100 нм, и предстоит работать нанотехнологиям, о которых в последнее время так много говорят. И есть все основания считать, что можно заставить наномир работать на нас.
На наших глазах фантастика становится реальностью – становится возможным перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Нанотехнологии, использующие самые последние достижения физики, химии и биологии – это не, просто, количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.
Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции
Самолёты, ракеты, телевизоры и компьютеры изменили окружающий мир в 20 веке. Учёные утверждают, что в наступившем 21-м веке стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, сделанные с использованием нанотехнологий.
Идея о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в выступлении речи лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте ("Там, внизу, полно места!"). Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров». Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например, в 2000 г., люди будут удивляться тому, почему учёные первой половины XIX века, проскочили этот нанодиапазон размеров, сконцентрировав все свои усилия на изучении атома и атомного ядра. По словам Фейнмана люди очень долго жили, не замечая, что рядом с ними живёт целый мир объектов, разглядеть которые было невозможно. Ну, а если мы не видели эти объекты, то мы и не могли работать с ними.
Тем не менее, мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки – кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях – одни оказываются в ядре, другие – в цитоплазме, а третьи – в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.
Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров. «Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т. п. Рост числа элементов приведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ.»
Позвав учёных в наномир, Фейнман сразу же предупреждает о тех препятствиях, которые их там ожидают, на примере изготовления микроавтомобиля длиной всего 1 мм. Так как детали обычного автомобиля сделаны с точностью 10-5 м, то детали микроавтомобиля следует изготовлять с точностью в 4000 раз выше, т.е. 2,5.10-9 м. Таким образом, размеры деталей микроавтомобиля должны соответствовать расчётным с точностью ± 10 слоёв атомов.
Наномир не только полон препятствий и проблем. Нас в наномире ожидают и хорошие новости - все детали наномира оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса нанообъектов уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, а площадь их поперечного сечения – пропорционально второй степени. Значит, механическая нагрузка на каждый элемент объекта – отношение веса элемента к площади его поперечного сечения – уменьшается пропорционально размерам объекта. Таким образом, пропорционально уменьшенный наностол обладает в миллиард раз более толстыми наноножками, чем это необходимо.
Фейнман считал, что человек сможет легко освоить наномир, если создаст машину-робота, способного делать уменьшенную, но работоспособную копию самого себя. Пусть, например, мы научились делать робот, который может без нашего участия создавать свою уменьшенную в 4 раза копию. Тогда уже этот маленький робот сможет сделать копию первоначального, уменьшенную уже в 16 раз и т.д. Очевидно, что 10-е поколение таких роботов будут создавать роботы, размеры которых будут в миллионы раз меньше первоначальных
Конечно, по мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Ничтожный вес деталей наноробота приведёт к тому, что они будут прилипать друг другу под действием сил межмолекулярного взаимодействия, и, например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания. Однако известные нам законы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.
Чтобы как-то стимулировать создание микрообъектов, Фейнман обещал заплатить 1000 долларов тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (1 дюйм » 2,5 см). И совсем скоро такой микромоторчик был создан. С 1993 года премия имени Фейнмана присуждается ежегодно за выдающиеся достижения в области нанотехнологий.
На фото (a) Р. Фейнман (справа) рассматривает с помощью микроскопа сделанный микромотор, размером 380 мкм, показанный на рисунке справа. Вверху на фото (b) показана головка булавки. Взято из фотоархива Калифорнийского технологического института http://physicsweb.org/articles/world/14/2/8/1/pw1402081 /
В своей лекции Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». При этом, как считал Фейнман, физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.
Машины созидания Э. Дрекслера
Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским учёным Эриком Дрекслером в начале 1980-х годов и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии».
Эрик Дрекслер – автор книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии», ставший первым классиком нанотехнологии. (фото взято из журнала Scientific American, 2001, Sept, p.74).
Вот, как начинается его книга. «УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань - на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.
Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами. Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупые, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.
Но законы природы дают много возможностей для прогресса, и давление мировой конкуренции всегда толкает нас вперед. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории ожидает нас впереди.»
По определению Дрекслера нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Как считают многие специалисты, в течение следующих 50-ти лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча таких наномашин вполне смогут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. Чтобы собирать наномашины, необходимо:
- научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место.
- разработать сборщики (assemblers) – наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами так, как это объяснено в (1), по программам, написанным человеком, но без его участия. Так как каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то по оценкам учёных необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени.
- разработать репликаторы – устройства, которые бы изготовляли наносборщики, т.к. их придётся изготовить очень и очень много.
Пройдут годы, пока появятся наносборщики и репликаторы, но их появление кажется почти неизбежным. При этом каждый шаг на этом пути сделает следующий более реальным. Первые шаги на пути создания наномашин уже сделаны. Это - "генная инженерия" и "биотехнология".
Принцип неопределённости Гейзенберга и наномашины
Из квантовой физики известно – невозможно точно определить местоположение частицы и её импульс. Ограничивает ли это то, что могут делать наномашины?
Действительно, принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и эта расплывчатость определяет размер и структуру атомов. Однако атом как целое имеет сравнительно определённое местоположение, т.к. масса его ядра в тысячи раз больше, чем у электронов. Кроме того, если бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Поэтому принцип неопределённости не накладывает существенные ограничения на точность, с которой можно размещать атомы по своим местам, конструируя наномашины.
Однако использовать квантовую механику, чтобы ответить на поставленный выше вопрос вообще нет необходимости. Ведь, существующие в каждой живой клетке молекулярные машины, собирающие «атом-за-атомом» огромные молекулы белков, имеющие наноразмеры, уже доказывают то, что наномашины возможны!
Тепловые колебания молекул и наномашины
Анализируя возможности создания наномашин, Э. Дрекслер обсуждает в своей книге, насколько тепловые колебания молекул способны повлиять на работу этих машин. Не приведут ли эти колебания к многочисленным ошибкам в работе наномашин?
Ответить на этот вопрос снова помогают молекулярные машины живых клеток, которые прекрасно работают при температуре около 300 К, несмотря на тепловые колебания молекул. Как показали исследования, в некоторых клетках при копировании ДНК совершается всего ОДНА ошибка на 100 000 000 000 операций! Чтобы достичь такой высокой точности, живые клетки используют специальные наномашины, например, фермент ДНК-полимераза I, которые проверяют копию и исправляют ошибки копирования. Очевидно, что для будущих автоматических сборщиков наномашин будут необходимы аналогичные алгоритмы проверки и исправления ошибок.
Машины исцеления
Э. Дрекслер предложил использовать наномашины для лечения человека. Человеческое тело сделано из молекул, и люди становятся больными и старыми из-за того, что появляются «ненужные» молекулы, а концентрация «нужных» уменьшается или их структура изменяется. В результате этого люди и страдают. Ничто не мешает человеку изобрести наномашины, способные переупорядочить атомы в «испорченных» молекулах или собирать их заново. Очевидно, что такие наномашины могут сделать революцию в медицине.
В будущем будут созданы наномашины (нанороботы), приспособленные для того, чтобы проникать в живую клетку, анализировать её состояние и в случае необходимости «лечить» её, изменяя структуру молекул, из которых она состоит. Эти наномашины, предназначенные для ремонта клеток, будут сопоставимы по размеру с бактериями и будут двигаться через ткани организма человека так, как это делают лейкоциты (белые клетки крови), и входить внутрь клеток, как это делают вирусы.
С созданием наномашин для ремонта клеток лечение больного превратится в последовательность следующих операций. Сначала, отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, наномашины будут восстанавливать (лечить) клетку за клеткой какой-либо ткани или органа. Затем, отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье человека.
Схематическое изображение наноробота на поверхности клетки. Видно, как щупальца наноробота проникли внутрь клетки. Автор: Ю. Свидиненко. Взято из http://www.nanonewsnet.ru/
Фотолитография – дорога в наномир: сверху вниз
Учёные и технологи уже давно стремятся в мир маленьких размеров, особенно, те из них, которые разрабатывают новые электронные приборы и устройства. Чтобы электронное устройство было умным и надёжным, оно должно состоять из огромного числа блоков, а значит, содержать тысячи, а иногда и миллионы транзисторов.
При изготовлении транзисторов и интегральных схем применяется оптическая фотолитография. Суть ее в следующем. На окисленную поверхность кремния наносится слой фоторезиста (полимерный светочувствительный материал), и затем на него накладывается фотошаблон - стеклянная пластинка с рисунком элементов интегральной схемы
Пучок света проходит через фотошаблон, и там, где черного цвета нет, свет попадает на фоторезист и засвечивает его
После этого все те участки фоторезиста, которые не обрабатывались светом, удаляются, а те которые освещались, подвергаются термообработке и химическому травлению. Таким образом, на поверхности окисла кремния образуется рисунок, и пластинка кремния готова, чтобы стать основной частью электронной схемы.
Транзистор был изобретен в 1947 году, и тогда его размеры составляли около 1 см. Совершенствование фотолитографических методов позволило довести размер транзистора до 100 нм. Однако основой фотолитографии является геометрическая оптика, а значит, с помощью этого метода невозможно провести две параллельные прямые на расстоянии, меньшем длины волны. Поэтому сейчас при фотолитографическом изготовлении микросхем используют ультрафиолет с малой длиной волны, но дальше уменьшать длину волны становится дорого и сложно, хотя современные технологии уже используют электронные пучки для создания микросхем.
Внедрение в мир наноразмеров, по которому шли изготовители микросхем до сих пор, можно назвать дорогой «сверху вниз». Они используют технологии, хорошо себя зарекомендовавшие в макромире, и лишь пытаются менять масштаб. Но есть и другой путь – «снизу вверх». А что, если заставить сами атомы и молекулы самоорганизовываться в упорядоченные группы и структуры размером в несколько нанометров?
Примерами самоорганизации молекул, образующих наноструктуры, являются углеродные нанотрубки, квантовые точки, нанопроволоки и дендримеры
(По материалам Богданова К.Ю.)