EN | RU
Контакты
Закрыть
Логин:
Пароль:
Забыли пароль?
Регистрация
Авторизация
 
Главная
О Журнале
Проекты
Партнеры
Реклама
Архив журнала
Блоги
Темы для обсуждения
Проект- Электронное Портфолио
 

 
 
 
 
     
Нанотехнология: современное состояние и перспективы Нанотехнология: современное состояние и перспективы
Аркадий Сатанин
д.ф.-м.н., профессор ННГУ, автор более 150 научных работ в ведущих

В последнее время термин «нанотехнология» стал часто появляться в средствах массовой информации, звучать из уст крупных государственных деятелей. Однако, несмотря на обилие публикаций, данное понятие все еще нуждается в разъяснениях. Цель предлагаемой статьи - изложить аргументы, показывающие, что нанотехнология возникла сравнительно давно, она базируется на достижениях фундаментальной науки, обладает развитым инструментарием и имеет ощутимые достижения и перспективы.

Попытаемся сначала проанализировать структуру термина «нанотехнология», посмотрим, что нам хорошо знакомо, а что может показаться необычным, и даже вызвать недоверие. Слово «технология» появилось в конце восемнадцатого века, оно прочно вошло в обиход, кажется привычным и понятным. Интуитивно каждый знает, о чем идет речь, когда говорят про технологию производства автомобилей, станков, самолетов, интегральных схем, медицинского оборудования и т.п.

Нетрудно понять значение терминов «информационные технологии» или «биотехнологии». Напомним, что термин «технология» состоит из двух греческих слов «техно» (мастерство, искусство) и «логос» (наука). Сфера применений этого термина очень широка: им можно охарактеризовать любую деятельность, направленную на получение желаемого результата, поэтому часто необходима дополнительная спецификация, когда требуется выделить какую-то определенную область. Например, если речь идет о совокупности методов обработки каких-то деталей, и мы желаем подчеркнуть их характерные размеры, то логично использовать масштабную градацию. Так, начиная с середины прошлого века, когда с помощью литографии стало возможно производить интегральные схемы, в которых размер рабочих элементов составлял всего несколько миллионных долей метра – схемы микронных размеров – естественным образом появился термин «микротехнология». В последних десятилетиях прошлого века были созданы приборы и устройства, позволяющих оперировать на масштабах, составляющих уже одну миллиардную долю метра. Именно для обозначения таких технологий и потребовалась приставка «нано», которая в переводе с греческого означает карлик или лилипут.

То, что исследователи в лабораторных условиях способны манипулировать атомами и молекулами, наблюдать и контролировать наноразмерные системы, не должно вызывать сомнения. Действительно, природа легко оперирует на нанометровых масштабах. Конструктивными элементами здесь являются атомы и молекулы. Из них могут вырастать кристаллы, формироваться биологические структуры, возникать живые организмы и многое другое. В основе метода формирования сложных структур лежит явление самоорганизации, за которое ответственны коллективные эффекты взаимодействия атомов и молекул. Научившись работать на наномасштабах, исследователи часто копируют процессы, происходящие в природе. Современная наука уже располагает инструментарием и методологией работы на нанометровых размерах, позволяет оперировать с атомами, молекулами, нанокристалликами и другими нанообъектами. Именно такие технологии и подразумевают, когда используют термин «нанотехнология».

Нужно только иметь в виду то, что всю деятельность в данном направлении нелегко описать одним термином, поскольку нанотехнология является междисциплинароной наукой, заимствуя методы фундаментальных (физики, химии, биологии и т.д.) и инженерных (материаловедения, электроники, механики и других) наук. На самом деле ученые могут заглядывать на значительно меньшие масштабы, например, исследуя структуру и свойства ядер, размеры которых существенно меньше атомных. Можно надеяться, что в будущем потребуются приставки типа «пико» или даже «фемто» для обозначения принципиальных новых технологий.

Самым удивительным должно казаться то, что исследователи научились создавать принципиально новые структуры и устройства, которые природа делать не умеет. Здесь уместно сказать пару слов про два прибора, которые были разработаны в прошлом столетии, и которые коренным образом изменили нашу цивилизацию – это лазер и транзистор. Лазеры представляют собой источники мощного когерентного излучения, например, света. С помощью лазера записывается информация на диски; они используются в медицине, устройствах связи, для модификации свойств материалов и т.д.

Транзисторы позволяют управлять током и усиливать слабые сигналы; они широкоприменяются в устройствах преобразования информации. Транзистор является базовым элементом компьютера. При этом скорость работы компьютера зависит от размеров транзисторов и степени их интеграции: чем меньше размеры, тем меньше времени требуется, чтобы переключать транзисторный элемент – триггер – из одного рабочего состояния в другое, следовательно, компьютер на более интегрированной схеме способен быстрее обрабатывать информацию. В 1965 г. Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, предсказал, что число транзисторов на единице площади кристалла должно удваиваться каждые 18 месяцев. Поэтапно разрабатываемая литография в последующие годы обеспечивала выполнения этого закона, преодолев размеры от миллиметров, в начале шестидесятых годов прошлого века, она смогла достичь разрешения в десятки нанометров к настоящему времени. В последнее время выпускаются транзисторы с размером рабочего элемента в 45 нанометров, причем в ближайшие годы их размер может уменьшится уже до нескольких нанометром. Приведенный пример показывает один из путей возникновения и развития нанотехнологии, иллюстрирует практические результаты, которые она приносит.

Можно указать инструментарий, которым располагает нанотехнология: это и отмеченная выше литография, оперирующая со все меньшими длинами волн, и методы самоорганизации, используемые для создания структур нанометровых размеров, и методы коллоидной химии, позволяющие производить массивы нонокристалликов, и многие другие методы. Практическая реализация данных методик потребовала существенных усилий ученых различных отраслей науки, чтобы преодолеть возникающие трудности на пути уменьшения размеров. В частности, для реализации литографии на наномасштабах необходимо было создание мощных источников мягкого рентгеновского излучения, активных сред для экспозиции, дисперсионных элементов, разработка специальных химических составов для проявления схем и т.д. Важным достижением физики и электроники является разработка целого семейства микроскопов, позволяющих управлять процессами и осуществлять контроль протекания процессов на нанометровых

размерах. Например, научившись контролировать процессы «сборки» атомов методами коллоидной химии, исследователи получили возможность создать массивы частиц нанометровых размеров, которые теперь используются для изготовления оптических устройств и лазеров нового типа.

Фундаментальные исследования, проводимые в научных лабораториях, всегда определяли и стимулировали развитие технологии. В настоящее время подобное явление происходит и с нанотехнологией - она также базируется на передовых достижениях современного естествознания. Например, открытие Питером Грюнбергом и Альбертом Фертом эффекта гигантского магнитного сопротивления (отмеченное в 2007 г. Нобелевской премией по физике), позволило разработать устройства записи данных на жесткие дисках с атомарной плотностью информации. На основе фундаментальных исследований в последнее время были разработаны методы производства наносруктуированных материалов с новыми свойствами: это различные атомные кластеры и молекулярные агрегаты, фулерены, графен, углеродные нанотрубки, нанокристаллы и т.д. С использованием таких материалов созданы наномоторы, наномеханические устройства, нанорезонаторы. Активно ведется разработка различных «умных механизмов»: нанороботов, наномедицинских устройств и прочих полезных устройств. Естественно возникает такой интригующий вопрос: следует ли ожидать принципиально новых явлений в рукотворном наномире? На этот вопрос можно дать положительный ответ. Да, свойства наноструктур могут оказаться совершенно необычными. Действительно, когда размеры систем сравниваются с длиной волны электронов, то поведение электронов в таких системах будет управляться законами квантовой механики.

Из опыта известно, что такие системы принципиально отличаются от классических. Ярким примером квантового поведения служит явление сверхпроводимости, когда при понижении температуры некоторые металлы теряют сопротивление. Это явление целиком объясняется квантовой теорией. Одно из следствий квантовой теории состоит в том, что электроны должны проявлять волновые свойства, а электронные волны способны интерферировать. Важнейшим открытием фундаментальной науки в конце прошлого века было предсказание квантового компьютера – устройства, в основу которого положено управление интерференцией волн, а не протеканием тока, как это происходит в обычном компьютере. В квантовом компьютере информация обрабатывается как бы параллельно, поэтому он способен намного быстрее решать определенные классы информационных проблем. В настоящее время разработкой квантового компьютера заняты исследователи во многих лабораториях мира. Прорыв в этом направлении приведет к существенному изменению всей современной информационной среды.Таким образом, нанотехнология обладает базисом, инструментарием и методологиями, которые она унаследовала от фундаментальных наук. Нанотехнология позволяет модифицировать вещество на атомно-молекулярном уровне; создавать устройства, материалы и изделия с новыми свойствами; разрабатывать принципиально новые методы для обработки и хранения информации. Отметим, что в передовых странах уже осознано значение нанотехнологии для ускорения экономического развития и в последние годы для финансирования этого направления были привлечены значительные бюджетные (около $3.3 млрд) и внебюджетные средства (примерно $6.6 млрд инвестиций). Лидерами по общему объему капиталовложений в нанотех стали Япония (общий объем инвестиций составил $4 млрд) и США ($3.4 млрд). В США при университетах и национальных лабораториях была открыта сеть наноцентров, издаются специализированные журналы, проводится большое число конференций. Известные корпорации (IBM, HP, NEC и др.) ежегодно наращивают выпуск изделий с использованием нанотехнологии. Все сказанное выше свидетельствует о широких перспективах, которые открываются при использовании нанотехнологии в различных сферах человеческой деятельности.


Возврат к списку>>

Рекламные партнеры

 
© ANGELINVESTOR 2009
Создание сайтов:
Burbon.ru