Nanoengineering. Учебное пособие

как эффективной системы исследований и разработок в области нанотехнологий прозвучало в 2007 году в послании Президента В.В. Путина к Федеральному собранию. После этого органами исполнительной и законодательной власти был разработан Федеральный закон, устанавливающий правовое положение, принципы организации, цели создания и деятельности Российской корпорации нанотехнологий, который Президент подписал 19 июля 2007 г. 7 сентября 2007 г. Указом Президента Генеральным директором ГК «Роснанотех» был назначен Леонид Борисович Меламед.

Создание практически с нуля новой наукоемкой отрасли, развитие которой позволит России занять лидирующие позиции в области нанотехнологий, по силам действительно только крупной государственной корпорации, сопоставимой по масштабам с такими «монстрами», как

DoE на Западе (Department of Energy, США) и NEDO на Востоке (New Energy and Industrial Technology Development Organization, Япония).

Ключевые направления деятельности определены законом о ГК «Роснанотех». В первую очередь – это организационная и финансовая поддержка инновационных научно-исследовательских и опытно-кон- структорских разработок; адресная поддержка наиболее выдающихся отечественных достижений в сфере нанотехнологий. Не менее важными являются коммерциализация результатов, получаемых в прикладной науке, или создание условий для их коммерциализации, внедрение нанотехнологий и производство продукции в сфере наноиндустрии. Несомненно, внимание ГК «Роснанотех» будет уделено вопросам формирования нового образа Российской науки и техники в глазах общественности, а также финансированию образовательных проектов в сфере нанотехнологий, поскольку без правильно и всесторонне подготовленных специалистов невозможно обеспечить долговременный приоритет России на мировой арене.

Text 10

Федеральная целевая программа

(Federal Target Program)

Во всем мире применяют два основных способа финансирования науки. Первый способ, соответствующий схеме «снизу вверх», реализуется в результате конкурса проектов, цели и планы выполнения которых предлагают сами исследователи. А государство финансирует

61

только проекты высочайшего класса, самого высокого мирового уровня. В России на эгом поле работают Государственные фонды (РФФИ и РГНФ), которые расходуют ежегодно 7 % от всего бюджета на науку, что соответствует примерно 4 млрд рублей/год. Для сравнения: в США на этом поле работает Национальный научный фонд (NSF– National Science Foundation) с бюджетом 5,3 млрд долл. Кстати, это гоже около 7 % от всего госбюджета, выделяемого на исследования и разработки. По такой схеме финансируются практически все фундаментальные научные исследования.

Второй подход к финансированию исследований – «сверху вниз», как правило, применяется для поддержки прикладных исследований и разработок. В отличие от первого подхода, в этом случае не только исполнители, но сама цель исследования определяются от имени государства тем или иным ведомством. Государство определяет задачи, названы приоритетные направления и критические технологии, и выбор этих областей и направлений осуществляется путем экспертной опенки потенциальных потребителей. Это те области научнотехнического развития, которые востребованы обществом и государством, и их выбирает, как правило, общество, исходя из стратегических целей. Все это делается на основании экспертных оценок специалистов из разных сфер деятельности, а не только ученых.

Программно-целевой способ реализации государственной политики известен давно и не уникален. Правительства всех стран, озабоченных глобальным соревнованием за ресурсы развития, пытаются вычислить стратегически важные, наиболее конкурентоспособные направлении и сделать в них что-то полезное за счет средств, собираемых в виде налогов и сборов. Например, в США около 50% от всех расходов государственной казны приходится на программно-целевые проекты, в странах ЕС еще больше, в частности во Франции эта доля составляет 80 %.

С начала 2007 г. в России действует Федеральная целевая программа (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072012 годы», которая охватывает 5 из 8 приоритетных направлений развития науки, технологий и техники (исключены лишь приоритетные направления «Безопасность и противодействие терроризму», «Перспективные вооружения, военная и специальная техника» и «Транспортные, авиационные и космические системы», которые вынесены в отдельные ФЦП) и все 34 критические технологии Российской Феде-

62

рации. На выполнение ФЦП, действующей в период с 2007 года по 2012 год, в соответствии с постановлением правительства предусматривается 195 млрд рублей, в том числе за счет средств федерального бюджета 133,8 млрд рублей. Основное внимание в Программе уделяется поддержке развития нанотехнологий и наноматериалов, на которые отводится более 50 % общего финансирования.

Структурообразующими и функциональными элементами Программы являются следующие блоки мероприятий:

•блок «Генерация знаний»:

•блок «Разработка технологий»:

•блок «Коммерциализация технологий»:

•блок «Институциональная база исследований и разработок»;

•блок «Инфраструктура инновационной системы».

В ФЦП финансирование получают не научные коллективы, а науч- но-исследовательские проекты с конкретными целями. Коллективы авторов подают предложения, обосновывая важность решаемых прикладных научных задач для российской экономики. Поступившие предложения рассматриваются рабочими группами, сформированными по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ. В состав рабочих групп входят эксперты как со стороны научного сообщества, так и со стороны бизнеса, которые оценивают не только научную значимость предложений, но и коммерциализуемость разработок, экономический эффект от их внедрения и др. Затем прошедшие такой отбор предложения попадают в научно-координационный совет программы при Роснауке. Наиболее интересные предложения принимаются, и на их основании формируются лоты, которые и выносятся на конкурс, заявку на участие в котором может подать любая организация России независимо от формы собственности или даже частное лицо. Вся информация об объявленных конкурсах публикуется на официальном сайте Роснауки – www.fasi.gov.ru. Поданные на конкурс заявки проходят независимую экспертную оценку, в результате которой заявки ранжируются в соответствии с набранными баллами. Организации, заявки которых получили наивысшие оценки, признаются победителями конкурса (в зависимости от типа конкурса победителей может быть один или несколько), и с ними заключается государственный контракт на выполнение работы. Контроль над реализацией Программы возложен на Государственную дирекцию ФЦП.

Кроме вышеуказанной федеральной целевой программы, поддержку научных исследований в области нанотехнолотий осуществляет

63

также другая ФЦП – «Национальная технологическая база» на 2007– 2011 годы, в рамках которой предусматривается финансирование 99,5 млрд рублей, в том числе за счет средств федерального бюджета – 49,5 млрд рублей.

Text 11

Центры превосходства (Centre of Excellence)

В 2006 г. обнародована «Стратегия развития науки и инноваций в РФ на период до 2015 г. Основной целью данной стратегии является формирование сектора исследований и разработок и эффективной инновационной системы, обеспечивающих технологическую модернизацию экономики и повышение ее конкурентоспособности на основе передовых технологий, а также превращение научного потенциала в один из основных ресурсов устойчивого экономическою роста. В числе основных мер, которые будут приниматься для решения упомянутых задач, значится совершенствование системы Государственных научных центров Российской Федерации и стимулирование процессов формирования и развития «Центров превосходства» Финансирование системы «Центров превосходства», которое предполагается с 2007 г. проводить целиком из федерального бюджета, составит к 2010 г. от 2 до 10 млрд. руб. в год и, постоянно увеличиваясь, в перспективе (к 2015 г.) составит порядка 20 млрд. руб. в год.

Ни для кого не секрет, что для нашей страны существует острая необходимость развития своего научно-технического и экономического потенциала. Острота этой проблемы, в том числе, связана с тем, что темпы роста и структура сектора исследований и разработок не в полной мере отвечают потребностям системы обеспечения национальной безопасности. В последнее время государство действительно предпринимает определенные шаги для решения этой проблемы. В частности, широко известно, что уже несколько лет функционируют Федеральные целевые программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» и «Научно-технологическая база России».

Что же такое «Центры превосходства»? Это конкурентоспособные научно-исследовательские организации, обладающие, в частности, приборно-технологической базой мирового уровня и высококвалифицированным персоналом, которые могут обеспечить приоритет Рос-

64

сийской Федерации по отдельным критическим технологиям. Центром превосходства может стать институт РАН, университет или отраслевой институт. При этом данное понятие ни в коей мере не связывают с ка- ким-либо специальным статусом для организаций.

Многие страны уже давно включились в соревнование за создание лучших инновационных систем и систем, способствующих развитию образования и науки. Это – официальная политика. Например, во Франции определены «Центры превосходства» национального уровня, в том числе аэрокосмический концерн Airbus. Государство активно поддерживает тех, кто участвует в его софинансировании, предоставляет кредиты и различные льготы. Создана система стимулирующих мер, направленных на paзвитие аэрокосмической отрасли. Зачем? Затем, что это дает Франции конкурентное преимущество в экономике.

Аналогичные мероприятия проводятся также в Финляндии, Эстонии и других странах. В 1995 г. Академия наук Финляндии запустила первые «Центры превосходства», представляющие собой партнерские объединения самых сильных и успешных лабораторий страны, которые отбираются по итогам строгого конкурса. Статус «Центра превосходства» дается на 5 лет и считается в Финляндии очень престижным. Кроме того, научным структурам, которые его удостоены, предоставляется дополнительное финансирование. На эти деньги, как правило, запускаются самые неожиданные и рискованные проекты. На программу «Центров превосходства» Академия тратит около 15 % своего бюджета. Сейчас в стране 44 таких центра, специализирующихся в самых разных областях – от физики низких температур до теологии.

Так что, как видите, идея отнюдь не нова и реализуется во многих странах. Подобный подход позволяет выбрать наиболее перспективные научные центры и в рамках их совместной работы при активной поддержке государства реализовывать различные исследовательские программы, в том числе работы по развитию нанотехнологий. Для России в рамках создания центров превосходства должна появиться своеобразная альтернатива небезызвестной Программы нанотехнологической инициативы США, которая была предложена еще в 2000 г. и находится с тех пор под патронажем президента.

65

Text 12

Электронная микроскопия (Electron Microscopy)

Как известно, длина видимого света, который может воспринимать глаз человека, составляет 400–700 нм Обычно размер клеток варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров, поэтому их можно разглядеть в оптический микроскоп. А вот атомы и молекулы, размер которых, как правило, меньше 1 нм, в оптический микроскоп разглядеть невозможно.

Чтобы преодолеть эту трудность, необходимо использовать излучение с меньшей длиной волны. Выход был найден в 30-х годах прошлого века, когда немецкие ученые Эрнст Кнолл и Макс Руска создали микроскоп, в котором вместо света использовали поток электронов. В основе электронного микроскопа лежит утверждение Луи де Бройля о дуализме элементарных частиц, согласно которому движущийся электрон одновременно является и частицей, и электромагнитной волной.

Устройство оптического и электронного микроскопов имеет много общего. Прежде всего в микроскопе любого типа необходима система фокусировки, которая позволяет исследователю сфокусировать поток излучения на образце. В случае оптического микроскопа свет фокусируется путем изменения расстояния между стеклянными линзами. В электронном микроскопе электроны сначала ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом, имеющим форму кольца. Длина волны ускоренных таким образом электронов может составлять несколько сотых долей ангстрема (т. е. быть порядка 10–12 м).

Затем электроны попадают в колонну микроскопа, где движутся в магнитном поле, создаваемом катушками индуктивности. Изменяя силу тока в катушках, можно управлять магнитными полями, а значит, изменять траектории электронов и очень точно фокусировать их поток. Таким образом, катушки выступают в роли своеобразных магнитных линз. Для того, чтобы избежать рассеяния электронов на молекулах газа, внутри электронного микроскопа поддерживается высокий вакуум. Благодаря малой длине волны электронов, а также постоянно совершенствующимся системам магнитных линз, современные электронные микроскопы обладают субнанометровым (меньше 10–9 м) и даже субангстремным (меньше 10–10м) разрешением. В электронной микроскопии выделяют два основных метода исследования.

66

Растровая электронная микроскопия – метод анализа поверхности образцов при сканировании выделенного участка сфокусированным потоком ускоренных электронов. В результате взаимодействия пучка с образцом, электроны попадают на детектор и изображение считывается с поверхности образца «строка за строкой», а затем выводится на монитор компьютера. Этим методом можно получить информацию не только о рельефе поверхности и размере частиц, но и о химическом составе образца и кристаллических фазах, находящихся на поверхности. Современные растровые микроскопы позволяют получать изображения поверхности образца с разрешением до 1 нм.

Просвечивающая электронная микроскопия – метод анализа внутренней микроструктуры и размера ультратонких – прозрачных для ускоренных электронов – образцов (тоньше 100 нм), который осуществляется облучением исследуемой области потоком ускоренных электронов. Изображение, полученное таким образом, является как бы «тенью» образца, увеличенная копия которой проецируется на флуоресцентный экран или фотопленку. По этому изображению можно судить о форме и размерах частиц, из которых состоит образен. Благодаря тому, что ускоренные электроны взаимодействуют с электронными оболочками атомов изучаемого вещества, с помощью электронного микроскопа получают дифракционную картину от упорядоченной структуры атомов, из которой можно извлечь информацию о кристаллических фазах. Современные электронные микроскопы высокого разрешения, обладающие очень точной системой фокусировки, позволяют визуализировать картину распределения электронной плотности в образце, то есть практически «увидеть» отдельные атомы!

Следует отметить, что электронная микроскопия как динамично развивающаяся отрасль современной науки и технологии включает в себя не только анализ веществ, материалов и биологических объектов. Значительные усилия ученых направлены на изучение механизмов формирования изображения при взаимодействии образца с электронами, разработку и усовершенствование электронных и других корпускулярных микроскопов (например, протонного) и приставок к ним, методов пробо-подготовки, способов сбора и обработки информации, которую можно получить с помощью микроскопа. В 1986 году ученые Эрнст Руска, создавший первый просвечивающий электронный микроскоп, Герд Биннинг и Генрих Рорер, которые сконструировали первый растровый микроскоп, получили Нобелевскую премию по физике. Их вклад в науку трудно переоценить: несмотря на дороговизну приборов

67

(стоимость ультрасовременного микроскопа высокого разрешения достигала 4 млн евро), практически любое современное исследование в области физики, химии, биологии, материаловедения и особенно нанотехнологий нуждается в данных, полученных методом электронной микроскопии.

Text 13

Память объемом в 100 Гбайт благодаря нанотехнологиям

Исследователи при лондонском Imperial College объявили о том, что разработали новую технологию, которая позволит создавать трехмерные микрочипы. На их основе можно будет создавать модули памяти очень высокой, по сегодняшним меркам, емкости.

Новый чип может вмешать большой объем данных на малой плошали, для этого используется сложная сеть взаимосвязанных нанообъектов – узлов сети. В этих же узлах могут быть задействованы базовые вычислительные функции, т.е. это что-то весьма напоминающее нейронную сеть с ее нейронами и аксонами.

Последние исследования ученых из Университета Шеффилда и Университета Дурхэма позволяют рассчитывать на то, что на основе данной технологии в скором времени можно будет создавать носители памяти, сравнимые по емкости с современными жесткими дисками, но при материальных затратах на производство таких же носителей, как у микросхем памяти. Таким образом, емкость микросхем памяти можно будет увеличить до 0,5-100 Гбайт!

Рассел Коуберн, профессор нанотехнологии при Imperial College, отметил: «Новые мобильные телефоны со встроенным видео популярны сейчас, но им не хватает того объема памяти, которым они сейчас комплектуются или которым могут быть расширены. Наша технология позволит превратить их в полноценные многофункциональные устройства».

Технология основана на исследованиях Коуберна и его коллег. Они обнаружили, что с помощью нанотехнологии можно репродуцировать ключевые функции современных и привычных полупроводниковых продуктов. При этом используется лишь спин электрона, который отвечает за магнетизм. Сейчас команда профессора Коуберна работает над воплощением технологии в реальных продуктах.

68

Text 14

Магнитная flash-память на основе углеродных нанотрубок

Известно, что размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нм. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нм.

Ученые из Техасского университета уже довольно давно работают над проблемой создания flash-памяти на основе углеродных нанотрубок. Исследователи хотят добиться плотности хранения информации около 40 Гбит/см. Но и это еще не предел. Как утверждают исследователи, расположив нанотрубки в различных слоях памяти, можно создать трехмерный чип flash-памяти, который будет хранить информацию до 1000 Тбиг/см. Для сравнения, 1 Тбайт - это количество информации, которое можно записать на 26 DVD-дисках.

Архитектура flash-памяти на основе нанотрубок довольно проста: каждая ячейка памяти состоит из двух пересекающихся нанотрубок, содержащих внутри примеси железа или помешенных в ферромагнитное окружение. Ученые собираются хранить информацию в нанотрубках, используя принцип магнитной записи, аналогичный тому, что применяется в компьютерных винчестерах. В роли носителя информации выступит матрица нанотрубок. Как говорит один из исследователей, Лазло Киш: «...В матрице нанотрубок каждое место их пересечения может хранить один бит информации».

Text 15

Датчик наноперемещений

В США создан датчик наноперемещений, позволяющий зарегистрировать изменение положения объекта на тысячные доли нанометра. Датчик состоит из наноэлектромеханической перемычки и одноэлектронного транзистора. В устройствах такого типа механический элемент перемешается под внешним воздействием, а высокочувствительный детектор позволяет измерить его перемещение. Области применения устройства – везде, где требуется ультравысокая точность,

69

например магниторезонансная микроскопия. Если удастся повысить его чувствительность в 100 раз, у ученых появится возможность непосредственной регистрации квантовых эффектов в макросистемах.

Квантово-механический принцип неопределенности утверждает, что невозможно одновременно измерить и положение, и скорость (точнее, импульс) микрочастицы. Тем самым устанавливается фундаментальное ограничение на точность любых измерений макрообъектов. Правда, достигнуть этих теоретических границ в непосредственных измерениях до последнего времени было невозможно из-за отсутствия приборов с необходимой точностью. Точность наноэлектромеханических устройств уже достаточна для проведения подобных измерений.

Роберту Кнобелю и Эндрю Клиланду из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре удалось создать работающее устройство, в котором механический элемент представляет собой брусок из арсенида галлия, закрепленный с обоих концов. Длина бруска - 3 мкм, ширина - 250 нм, толщина - 200 нм. Расположен он в 250 нм от одноэлектронного транзистора, представляющего собой детектор перемещения. Брусок и транзистор соединены электрически через емкость. При приложении внешнего напряжения брусок начинает вибрировать. При его перемещении относительно детектора ток, протекающий через транзистор, изменяется. Одноэлектронный транзистор, по словам изобретателей, представляет собой лучший из существующих детекторов заряда, имеющий чрезвычайно высокую чувствительность. Измерение тока, протекающего через транзистор, позволяет измерить частоту колебаний бруска.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы приспособить созданное устройство для измерения квантовых эффектов в макрообъектах.

Text 16

НЭМС для взвешивания ДНК

Ученые из Корнеллского университета создали НЭМС-детектор, который может взвесить отдельную молекулу ДНК. Масса молекулы – около 995 000 дальтонов, в то время как масса бактерии – 655 фг. А вирус, который удалось взвесить ученым ранее, имеет массу 1,5 фг.

70