4.7. Использование наноустройств в космических исследованиях

Н. Б. Тумарьян¹

За последние тридцать лет организация НАСА завершила начальный, разведы­вательный этап изучения ближайших объектов Солнечной системы. Дальней­шие работы будут связаны либо с полетами к более удаленным целям (в частно­сти к Солнцу или Плутону), либо с аппаратами, способными решать значитель­но более сложные задачи, такие, как высадка на поверхность небесных тел, от­бор образцов и их доставка на Землю. Для осуществления этих крупномасштаб­ных и дорогостоящих исследований НАСА разработала обширный проект под названием «Программа развития технологий для исследований в глубоком кос­мосе» и обозначением Х2000, в рамках которого, начиная с 2000 г., каждые два-три года в космос должны выводиться ракеты с усовершенствованным бортовым оборудованием, предназначенным для изучения Солнечной системы и даже ее окрестностей. Особое внимание уделяется уменьшению размеров космических аппаратов; для этого постоянно снижаются размеры и вес систем авионики (авиационной электроники, бортового оборудования летательных аппаратов).

Рис.4.18. Прогноз развития авионики.

В решении этой задачи важную роль должно сыграть интегрирование микро-и нанотехнологий. На рис. 4.18 представлены прогнозы изменения основных па­раметров (вес, объем, потребляемая мощность) бортовых электронных уст­ройств. Современному состоянию электронной техники соответствуют данные левой колонки, относящиеся к космическому кораблю «Марс Пасфайндер».

Первое поколение аппаратуры по проекту Х2000 соответствует интеграль­ным системам авионики, в которых объединены функции управления и обра­ботки данных, контроля за положением космического аппарата и его энергети­ческими установками, согласования режимов работы научных приборов и т. д. Дальнейшая миниатюризация оборудования и развитие техники автоматического управления должны привести к более высокой степени интеграции и со­зданию модульной, элементной архитектуры, предназначенной для эксплуата­ции в условиях длительных комических экспедиций. Новые системы авиони-ки будут иметь значительно меньшее энергопотребление по сравнению с со­временными системами.

Прототипом будущих однокристальных и многокристальных интегральных схем станет разрабатываемая по проекту Х2000 интегральная схема авионики, получившая название «Система на чипе» (System On A Chip, SOAC). Эта интег­ральная схема будет содержать систему управления энергетическими установ­ками, систему датчиков, телекоммуникационные модули, центральный про­цессор и запоминающие устройства. Нанотехнология призвана обеспечить как миниатюризацию таких устройств, так и их интеграцию.

Примерно к 2020 г. ожидается реализация программы новых компьютер­ных технологий, которая позволит не только преодолеть пределы полупро­водниковой технологии, но и создать полностью автономные, высокоэф­фективные и низкоэнергетические «мыслящие космические аппараты». Безусловно, для этого потребуется применение нанотехнологий, поскольку обычная, цифровая вычислительная техника (даже с учетом ее успехов за последние годы и возможного создания в будущем суперкомпьютеров) не сможет соревноваться с биологическими системами в задачах распознава­ния образов, чувственного восприятия, управления в сложных условиях или адаптации к окружающей среде. В разделе «5-е поколение» (рис. 4.18) представлены две нанотехнологий, которые будут определять возможности космических аппаратов 2020 г.:

• Квантовый компьютер. Такое устройство должно быть создано на основе объединения принципов традиционной вычислительной техники и кван­товой физики. Хотя концепция квантового компьютера проста, этого нельзя сказать о ее реализации. Разработка квантового компьютера моти­вируется двумя проблемами:

— Использование квантовых представлений, возможно, позволит решить математические задачи, недоступные обычным вычислительным ме­тодам.

— С точки зрения миниатюризации вычислительных устройств важен раз­мер устройства, приходящийся на 1 бит информации. В последние годы в связи с развитием нанотехнологий и проблемами конструирования полупроводниковых микромеханических устройств ставится вопрос о доведении миниатюризации до квантового предела. Поэтому идея кван­тового компьютера, в котором носителями информации являются от­дельные атомы, привлекает внимание ученых многих областей.

• Биомиметические устройства. Биомиметикой называется научное направ­ление, связанное с имитацией биологических процессов. Это направление основано на исследованиях архитектуры, функций, механизмов и принци­пов действия биосистем. Ниже приводятся примеры биомиметических объ­ектов, представляющих интерес для нанотехнологий:

— 1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиотека Конгресса США.

— Мозг человека содержит около 10¹⁴ внутренних связей и может осущест-, влять до 10¹⁶ операций в секунду, причем его работа отличается высокой

точностью и очень низким энергопотреблением.

— Человеческий организм обладает высокоэффективной иммунной систе­мой, которую можно назвать «системой саморемонта».

В дальнейшем, когда исследования этих явлений позволят создавать не­большие и легкие устройства с низким энергопотреблением, НАСА сможет со­здавать и запускать космические зонды для решения задач, недоступных в на­стоящее время.

6.5.9. Биологический нанокомплекс для переноса лекарственных соединений

С. Ли¹

На рис. 4.19 представлен новый противораковый нанокомплекс РК1, который переносит к опухоли лечебный препарат цитотоксин (доксорубицин). Процесс направленного переноса обусловлен эффектом повышенной проницаемости и удерживания комплекса в пораженных болезнью тканях, где нарушена це­лостность сосудистой системы организма. Идея метода заключается в том, что К-2-(гидроксипропил)метакриламид, составляющий основу препарата РК1,

Рис.4.19 Биологический противораковый нанокомплекс РК1

Рис. 4.19. Биологический противораковый нанокомплекс РК1 [54].

образует наноразмерный комплекс, который из-за своих размеров не может проникать с кровотоком в здоровые ткани организма. Однако в пораженных раком тканях проницаемость сосудистой системы резко возрастает, вследствие чего в них проникают комплексы РК1. Доксорубицин, связанный с комплексом, не является токсичным и не представляет угрозы здоровым тканям. В своей активной форме он высвобождается главным образом внутри пора­женных тканей. Объединение К-2-(гидроксипропил)метакриламида и доксо-рубицина в единый комплекс осуществляется при помощи связывающего агента, в качестве которого был выбран лабильный пептидный линкер, так как он является питательной средой для протеазы (известно, что опухолевые ткани производят протеазу в повышенных количествах). Использование РК1 позво­ляет более чем на порядок повысить применяемые дозы доксорубицина, как с помощью направленного переноса, так и из-за преимущественного выделения доксорубицина в пораженных тканях. Метод проходит клинические испыта­ния в Европе. Дополнительным преимуществом данного препарата и анало­гичных средств на полимерной основе является то, что в них используются мо­нодисперсные нанополимеры (дендритного строения), что позволяет управ­лять эффектом направленного переноса, а также вводить так называемые домены «причаливания» (дающие возможность антигенам связывать комплекс именно при поступлении в зону опухоли) или добавлять другие антираковые препараты, обладающие синергизмом действия с цитотоксинами, включая ан-гиостатические агенты [53].

4.8. Нанотехнология на чипе: новая парадигма систем полного химического анализа

Т. А. Михалске¹

Разработка более дешевых и удобных методов получения информации о хими­ческой и биологической структуре веществ имеет большое значение для меди­цины, контроля качества пищевых продуктов, служб правопорядка и нацио­нальной безопасности и других сторон общественной жизни США. Сейчас в разных странах ведутся работы по созданию широкодоступной системы хими­ческого анализа n-ChemLab™-on-a-chip. Эта система микро-полного анализа (micro-total analysis system ц-TAS) отличается от обычных датчиков, поскольку она осуществляет полный анализ (на вход системы подается анализируемая смесь, на выходе системы получается ответ о ее составе). Национальная лабо­ратория Сандия разрабатывает переносную демонстрационную модель ц-TAS, способную анализировать газообразные боевые отравляющие вещества и жид­кие взрывчатые вещества. В работе над созданием ц-TAS участвует междис­циплинарная исследовательская группа из 50 специалистов в различных обла­стях (микрообработка, химическое распознавание, микрогидродинамика, информатика). Хотя нанотехнология играет важную роль в разработках систе­мы ц-TAS, однако пока основные достижения в этой области связаны с мини­атюризацией уже известных компонентов и устройств. Пока используются малогабаритные клапаны, трубки, насосы, разделительные колонки и т. д., представляющие собой уменьшенные копии деталей обычной аппаратуры. Хотя они функционируют не хуже (а иногда и лучше) своих крупномасштаб­ных аналогов, однако такой подход не позволит создать химическую лаборато­рию микроскопических размеров.

Нанотехнология делает реальным замысел системы ц-TAS с совершенно новой архитектурой, или нано-TAS, поскольку предлагает совершенно новый подход к изготовлению клапанов, насосов, устройств химического разделения и обнаружения и т. д. из материалов с переключаемыми молекулярными фун­кциями. Например, потоки жидкостей можно было бы направлять не по пред­варительно созданной системе физических каналов, а посредством изменения поверхностной энергии. Переключаемые молекулярные мембраны могли бы заменить механические клапаны. Посредством исключения сложных гидроди­намических сетей и микромасштабных компонентов (используемых в совре­менных проектах систем ц-TAS) концепция нано-TAS обеспечит более широ­кий набор рабочих функций и снижение энергопотребления системы полного химического анализа при гораздо меньших ее размерах.

4.9. Разработка систем наноразмерной робототехники

U. У. Тилден, Т. К. Ло/

В принципе, можно допустить мысль об изготовлении нанороботов, которые выполняли бы достаточно сложные функции либо независимо друг от друга, либо после самосборки в некоторые системы. Вообразите, например, высоко­разрешающий видеоэкран, который может производить «саморемонт», просто имея микроскопического робота на каждом элементе экрана. Такие «пикселбо-ты» (pixel — элемент или точка растра) были бы способны производить свет, но были бы также достаточно «умными», чтобы удалить себя с экрана при полом­ке. Другие пикселботы при этом должны были бы почувствовать образовавшу­юся вакансию и перегруппироваться для ее заполнения. Другой пример — вве­дение в человеческий организм микророботов-санитаров, которые химически безвредны, но способны удалять раковые клетки в месте их образования. Обла­дая способностью отличать больные клетки от здоровых, такие роботы функци­онировали бы независимо от организма и непрерывно лечили бы ткани, не мешая обычному ходу биохимических процессов в организме. Аналогичный подход может быть использован для создания самооптимизующихся кремние­вых запоминающих устройств и процессоров: при возникновении неполадок пользователь просто должен был бы подождать, пока компьютер сам себя не от­ремонтирует.

Для создания таких устройств требуется исследование свойств автономных систем, способных к самосборке. Сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории изучают такие системы, создавая очень недорогие и достаточно крупные роботы (рис. 4.20), которые способны адаптироваться к окружению, включая взаимодействие с другими роботами при выполнении некоторых задач (например, при обнаружении неразорвавшихся мин, как показано на рисунке). Характеристики таких «умных» клеточных систем сохраняются при изменении масштаба и могут быть использованы при создании разнообразных наномашин, способных выполнять невообразимые операции. Подобные раз­работки могут иметь огромный коммерческий потенциал.

рис.4.20. Модельная система для нанороботехники [55,56].Самособирающиеся роботы (диаметром 7,5 см) отмечают место,где под землей находится неразорвавшаяся мина. Такие роботы дешевы,питаются от солнечных батарей и не имеют процессора (что облегчает их применение и миниатюризацию).

4.10. Интеграция нанотехнологий в микросистемах

С.Т.Пикро

Достижения нанотехнологии будут иметь важное значение для разработки интегрированных микросистем .

Интеграция микроэлектронных,микроэлектромеханических,оптических и химических микродатчиков в единые <<системы на-чипе>> является именно тем направлением,которое позволит одновременно использовать механические,оптические и химические свойства материалов.На рис.4.21 представлены возможные варианты применения таких миниатюрных интегрированных систем,которые смогут чувствовать,думать,говорить

Рис.4.21. Возможности создания и использования интегрированных микросистем, в которых совместно используются механические,электрические,оптические и химические свойства наноматериалов.

(общаться) и действовать. Однако для их создания необходимо научиться уп­равлять наномасштабными процессами. Так, например, возможность созда­ния указанных на рисунке МЭМС и устройств фотоники зависит от успехов в изучении новых явлений в нанонауке и процессов в нанотехнологии.

5. Новые методы исследования

Головин 68-76

5.1Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), или Transmission Electronic Microscopy (ТЕМ) в английском написании. Исторически первым бы создан именно просвечивающий электронный микроскоп (М. Кнолль и Э. Руска, 1931 г.). С тех пор, несмотря на множество технических усовершенствований, улучшающих разрешение, облегчающих работу и анализ полученных изобра­жений, его принципиальная схема (рис. 5.1.) не претерпела существенных изме­нений.

Электронно-лучевая пушка с термоэмиссионным или электрополевым ка­тодом испускает поток электронов, который формируется в упорядоченный пу­чок необходимой геометрии с помощью магнитных линз, играющих роль кон­денсоров в оптической системе. Фокусировка пучка осуществляется изменени­ем тока в магнитных катушках, а не положением линз, как в оптическом микро­скопе. Она основана на отклонении электронов магнитным полем (силами Ло­ренца) в направлении, перпендикулярном как к вектору скорости движения, так и к вектору индукции поля.

Рис.5.1. Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа.

Пучок проходит через образец, собирается магнитной объективной линзой, а затем с помощью проекционных линз подается на люминесцентный экран, который визуализирует информацию об образце. Получаемое изображение мо­жет быть увеличено дополнительно посредством оптического микроскопа. Все устройство размещают в колонне, откачиваемой до высокого вакуума, чтобы

Рис. 5.2. Общий вид просвечивающего электронного микроскопа "LIBRA 200FE" фирмы Carl Zeiss

избежать рассеяния и потерь энергии электронов от столкновения с молекулами воздуха (рис. 5.2).

Для регистрации изображения сначала применяли фоточувствительные ма­териалы (фотопленку, фотопластинки), однако в последнее время они вытесня­ются цифровыми матрицами (как в цифровых фотокамерах). Это позволяет сра­зу же получать оцифрованную информацию об образце, обрабатывать ее, ис­пользуя современные компьютерные программы анализа изображений и сохра­нять в долговременной памяти.

Для повышения разрешения, увеличения числа рабочих мод (доступных методов исследования), расширения сервисных возможностей современные электронные микроскопы могут быть дополнительно оснащены электрополе-выми катодами (на основе диода Шоттки), специальными энергетическими фильтрами (монохроматизаторами) для падающего пучка электронов и спек­трометрами - для прошедшего, прецизионными гониометрами с большим числом степеней свободы (до шести), компьютеризированной системой управления прибором и обработки данных и др.

В качестве примера на рис. 5.2 показан просвечивающий микроскоп "LIBRA 200FE" германской фирмы Carl Zeiss.

Основные технические характеристики микроскопа "LIBRA 200FE"

Ускоряющее напряжение, кВ.............................................. 120...200

Предельное пространственное разрешение, нм....................... < 0,14

Энергетическое разрешение спектрометра, эВ........................ < 0,7

Вакуумная система................................................... Безмасляная

Управление и графический интерфейс.........................Под Windows ХР

В конце 2005 г. эта фирма сообщила о разработке и окончании испытаний ультравысокоразрешающего трансмиссионного электронного микроскопа (UHRTEM). В нем достигается субангстремное разрешение - 0,08 нм при U = = 200 кВ (и даже 0,07 нм в некоторых специфических направлениях на изобра­жении структуры).

Образцы для ПЭМ должны быть тщательно подготовлены. Поскольку дли­на свободного пробега электронов в конденсированном веществе при рабочем ускоряющем напряжении в сотни киловольт составляет доли микрометра (мак­симум - единицы микрометров), для исследования этим методом доступны только очень тонкие фольги или срезы. Первые получают полировкой, электро­химическим или ионным травлением, вторые - срезанием тонких слоев на спе­циальной машине - микротоме (главным образом, для полимерных и биологи­ческих материалов).

Другая возможность - приготовление реплик с поверхности исследуемого образца. Они могут изготавливаться методом осаждения, напыления и др. Луч­шие результаты ПЭМ дает для пленок, имеющих толщину, сравнимую с длиной свободного пробега электронов.

Обычно используют два основных режима работы ПЭМ, которые позволя­ют получить: а) изображение образца или б) дифракционную картину рефлек­сов. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и поглощают быстрые электроны с различной эффективностью. Пример изобра­жения карбоновых наноструктур в ПЭМ высокого разрешения показан на рис. 5.3.

Как уже упоминалось выше, рассеяние может быть упругим и неупругим. В первом случае энергия и длина волны падающего излучения не меняются. Упругое рассеяние приводит к дифракции и интерференции волн, создающих дифракционную картину от объекта, неупругое вызывает различные возбужде­ния в атомах исследуемого вещества и переизлучение, что используется в раз­нообразных методах микроанализа химического состава.

рис. 5.3. Электронная микрофотография луковичных и трубчатых углеродных наноструктур, полученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [3.18]

Как известно, в дифракционной картине от периодических структур имеют­ся максимумы (рефлексы) различного порядка: нулевого, первого, второго и т.д. в зависимости от угла, отсчитанного от нерассеявшегося пучка, и периодично­сти структуры. Электронные микрофотографии получают в условиях, когда апертурная диафрагма вырезает из общего потока только центральный пучок (дифракционный максимум нулевого порядка). Они могут дать сведения о раз­мерах и форме отдельных зерен, фаз и других структурных единиц.

Информация другого рода содержится в электронограмме - дифракционной картине, получаемой при пропускании максимумов более высокого порядка (при большей апертуре диафрагмы). После соответствующей обработки по ней можно судить о типе кристаллической решетки, межплоскостных расстояниях, ориентации кристаллитов и др.

Небольшие изме­нения в оптической системе ПЭМ позволяют наблюдать объект как в светлом, так и в темном поле (подобно оптической микроскопии).

Значительно увеличить объем информации, извлекаемый из снимков и изу­чения деталей, интенсивность которых близка к шуму, можно после использо­вания специальных методов обработки изображения, например быстрого преоб­разования Фурье.

5.2.Растровая (сканирующая) электронная микроскопия (РЭМ), или Scanning Electronic Microscopy (SEM) в английском переводе. В отличие от обычного просвечивающего микроскопа в растровом изображение строится не одновременно во всех точках, а последовательно, путем сканирования образца сфокусированным пучком по определенной траектории от точки к точке. Син­хронно на мониторе по экрану движется луч, формирующий изображение, как это делается в обычном телевизоре.

Обобщенная принци­пиальная схема РЭМ представлена на рис. 5.4.

Одновременно все изображенные (и не изображенные) на рис. 5.4 приспо­собления, конечно, не используют. Их устанавливают по мере необходимости и обычно поставляют опционно.

Впервые растровые электронные микроскопы были построены, так же как и просвечивающие, в 30-е годы прошлого века. Ввиду своей многофункциональ­ности и универсальности они получили большее распространение, чем ПЭМ.

Зондом в РЭМ является тонкий пучок электронов (обычно диаметром по­рядка 1 мкм, а в лучших образцах ~ 1 нм), который сканирует образец в резуль­тате работы магнитной отклоняющей системы. Разрешение в РЭМ определяется диаметром пучка, ускоряющим напряжением (как правило, в диапазоне 0,1... 30 кВ) и рядом других обстоятельств. Обычно оно составляет около 1 мкм, но путем различных усовершенствований его можно довести до 1...5 нм, а в от­дельных случаях (просвечивающая РЭМ) - до 0,2.. .0,3 нм.

Наряду с прошедшими через образец электронами в РЭМ можно регистри­ровать множество других эффектов и сигналов из облучаемой зоны: эмиссию света (катодолюминесценцию), тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, отраженные, вторичные и Оже-электроны, разность потенциалов на противоположных сторонах образца и др. В каждом из этих сигналов содержит­ся независимая информация об облучаемой зоне, что делает РЭМ намного более информативной и универсальной, чем ПЭМ.

Так, растровая микроскопия позволяет исследовать микрорельеф, опреде­лять локально химический состав, распределение отдельных элементов по об­разцу, проводить рентгеновский спектральный анализ в заданных точках и др. РЭМ дает возможность получать снимки с большой глубиной резкости, что де­лает его незаменимым инструментом в исследованиях шероховатых поверхно­стей, биообъектов и структур со сложной топологией, трехмерных наноэлек-тромеханических систем и т.п.

Все эти дополнительные возможности появляются благодаря неупругим столкновениям зондирующих электронов с атомами образца. Очень важны од-ноэлектронные возбуждения атомов. Если падающий электрон возбуждает электрон из верхней оболочки или валентной зоны, то такое возбуждение может релаксировать путем излучения фотона (катодолюминесценция), эмиссии вто­ричных электронов или Оже-электронов. Если происходит выбивание электрона из нижних оболочек (например, /("-оболочки с главным квантовым числом п - 1,

Рис.5.4. Обобщенная принципиальная схема РЭМ: ДЭ- детектор электронов; РД- детектор ренгеновского излучения

Рис. 5.5. Общий вид растрового электронного микроскопа "SUPRA 60VP"

L-оболочки с п = 2 и т.д.), то возникает характеристическое рентгеновское излу­чение .

Параметры всех этих видов эмиссии сильно зависят от природы атома, пре­терпевшего возбуждение. Следовательно, соответствующие сигналы содержат информацию о химическом составе области облучения. Падающие электроны могут вызвать и коллективные виды возбуждения (фононы, плазмоны и др.), которые также могут служить источником информации о материале образца.

В качестве примера современного растрового электронного микроскопа на рис. 5.5 показан прибор "SUPRA 60VP" фирмы Carl Zeiss. В вакууме он обес­печивает разрешение 1 нм (при ускоряющем напряжении 15 кВ) и позволяет достигать разрешения 2 нм (при С/" — '30 кВ) в условиях остаточного давления до 133 Па. Последнее полезно для исследования биообъектов. Высокое разрешение сочетается с большим набором аналитических возможностей (спектроскопия энергетических потерь, дисперсионных характеристик, дифракционные методы в обратном рассеянии и др.).