Нанотехнология. Простое объяснение очередной гениальной идеи

«Наноскопические наука и техника, скорее всего, станут причиной следующего стратегического технологического прорыва. Способность работать на молекулярном уровне, атом за атомом создавая нечто новое, которое можно построить “снизу вверх” открывает невероятные перспективы для многих из нас»

Дэвид Свейн, старший вице-президент по технике и технологии, Boeing.

Нанотехнология.

Простое объяснение очередной гениальной идеи.

Марк ратнер

Даниэль ратнер

Москва • Санкт-Петербург • Киев

2004

Данная книга представляет собой понятное нетехническое руководство по грядущей промышленной революции. К 2015 голу нанотехнология может стать сферой с оборотом в триллион долларов, а пока пионер нанотехнологий Марк Ратнер и антрепренер технологической сферы Даниэль Ратнер демонстрируют, что же это такое, почему данная сфера такая захватывающая, и что будет даль­ше. Предлагаемый обзор всей области — технологии и бизнеса — охватывает наноточки, молекулярную электронику, квантовые компьютеры, биоструктуры, нанотрубки, молекулярные моторы, нанодатчики и множество других тем, вы­звавших перевороты в науке. Авторы доступно объясняют все ключевые темы, подобно иллюстрируя концепции, давшие жизнь нанотехнологии.

1. Введение в наномир

ЗАЧЕМ МНЕ НУЖЕН НАНОМИР

За последние несколько лет в мировое сознание быстро вошло короткое слово с большим потенциалом. Это слово - "нано". Оно будит в воображении догадки о сильнейших сдвигах практически, во всех аспектах науки и техники, имеет последствия для этики, экономики, международных отношений, повседневной жизни и даже понимания человеком своего места во Вселенной. Мечтатели расхваливают его как панацею от всех бед. Паникеры видят в нем новый этап биологических и химических войн или, в крайних случаях, возможность создания биологических типов, которые, в конце концов, заменят человечество.

Хотя некоторые из подобных точек зрения являются наду­манными, наномир, похоже, хорошенько подстегнул вообра­жение авторов популярных, политических и других программ в средствах массовой информации — так, как в свое время бы­ло с космическими путешествиями и Internet. В 2001 году фе­деральное правительство США потратило на наноисследования более 422 миллионов долларов. В 2002 было запланиро­вано выделить на нанопрограммы более 600 миллионов, не­смотря на то, что запрошенный бюджет составлял всего 519 миллионов, и это сделало нанотехнологии единственной федеральной программой в годы общего сложного положения экономики, получившей больше денег, чем было запрошено. Хотя разработка нанотехнологий и имеет большое влияние на национальную безопасность, нанотехнологии также относятся к секторам растущего финансирования, не исключительно связанным с обороной или борьбой с терроризмом.

Федеральные деньги на нанотехнологии поступают от таких разных групп, как Национальный научный фонд США, Мини­стерство юстиции, Национальный институт здоровья, Министерство обороны, Агентство по охране окружающей среды, и других правительственных организаций, скрывающихся за страшными и непонятными аббревиатурами. Практически универсальная привлекательность наномира иллюстрируется еще и тем фактом, что он имеет политическую поддержку диаметрально противоположных сторон парламента _-двумя из наиболее рьяных защитников нанотехнологий являются сенатор Джозеф Либерман и бывший спикер Ньют Джингрич, а Национальная инициатива и поддержку нанотехно­логий (NationalNanotechnologyInitiative-NNI) является одной из немногих программ эры Клинтона, стойко поддерживаемой администрацией Буша.

Правительство США является не единственной организа­цией, поддерживающей приоритет нанотехнологий. Десятки основных университетов по всему миру — от Нортвестернского университета в США до Дельфтского технологического университета в Нидерландах и Национального центра нано­технологий в Пекине — создают новые факультеты, заводы и исследовательские группы для изучения нанотехнологий. Исследования в наномасштабе также соединяют научные дис­циплины. Химики, биологи, врачи, физики, инженеры и про­граммисты — в наноразработки вовлечены все. "Нано" является и хорошим бизнесом. Национальный науч­ный фонд США предсказывает, что к 2015 году продукты и услуги, произведенные с участием нанотехнологий будут ох­ватывать рынок в триллион долларов, что сделает эту область не только одной из самых быстрорастущих в истории, но и превышаюшей объединенные телекоммуникационные и информа­ционные технологии в начале технологического бума в 1998 году. "Нано" также является приоритетным направлением для таких технологических компаний, как HP,NECиIBM, каждая из ко­торых выделила огромные исследовательские ресурсы на изу­чение и внедрение наноустройств. В игру нанотехнологий всту­пают не только такие матерые команды, как Министерство обо­роны, но и молодые и маленькие компании. Для их поддержки возникают специальные фонды, докуметальные фильмы и пе­риодические издания. Промышленные эксперты предсказыва­ют, что право собственности на продукты нанотехнологий в 2002 году может составлять более миллиарда долларов.

В средствах массовой информации нанотехнологии освещались CNN,MSNBCи почти всеми онлайновыми техническими, научными и медицинскими журналами. За исследования в области нанотехнологии несколько раз давалась Нобелевская премия, также была учреждена Феинмановская премия для награждения ученых в области нанотехнологий. В 2001 году в журналеScience нанотехнологии были названы прорывом го­да. Заголовок статьи "TheNextBigIdea" ("Следующая великая идея"), посвященной нанотехнологии, попал на обложкуForbes. Нанотехнологии попали на страницы футуристических публи­каций вWired Magazine, нашли отражение в научной фантасти­ке и стали темами эпизодов фильмов "Звездный путь: следую­щее поколение" и "Секретные материалы", а также шуток в фильме "Человек-паук".

В окружении всей этой шумихи нанотехнологии пришли из мира будущего в мир настоящего. Инновационные нанотехнологии уже породили шквал коммерческих изобретений: от быстросгорающих присадок ракетного топлива до новых лекарств от рака и относительно точных и простых в обраще­нии детекторов таких биотоксинов, как возбудитель сибир­ской язвы. Нанокремы для кожи и лосьоны для загара уже присутствуют на рынке, а улучшенные с помощью нанотехно­логий теннисные мячики, прыгающие дольше, впервые ис­пользовались в 2002 году на Кубке Дэвиса. В настоящее время, однако, большинство компаний, провозглашающих себя нанокомпаниями, занимаются исследованием или пытаются заработать на шумихе, вместо того, чтобы работать над истинными нанотехнологическими продуктами, хотя есть и исключения из общей массы. Существует множество мнений относительно того, куда движутся нанотехнологии, и что это может озна­чать, но и эксперты, и критики соглашаются в одном: не имеет значения, кто вы, и чем вы занимаетесь, в скором времени данная наука и ее технологии вмешаются в вашу жизнь.

Отметим, что, кроме того, существует множество слухов и ошибочных мнений относительно нанотехнологий. "Нано"- это не только крошечные роботы, которые могут (или не могут) завоевать мир. По сути, это огромный шаг к науке. В материалах Национальной инициативы и поддержку нанотехнологий уже звучали слова "Следующая промышленная революция" - данная фраза была отпечатана на поверхности, которая меньше ширины человеческого волоса, буквами шириной 50 нанометров (рис. 1.1).

Рис. 1.1. "Следующая промышленная революция", изображе­ние наноструктуры. Перепечатано с разрешения группы Миркина (Mirkin), Нортвестернский университет (США)

Чтобы обсуждение нанотехнологий было плодотворным, участники дискуссии должны знать, что же это такое. Для этого и была написана данная книга - обзор состояния отрасли. Ав­торы выдвигают некоторые предположения относительно того, к чему приведут нанотехнологий в несколько последующих лет.

КТО ДОЛЖЕН ПРОЧЕСТЬ ЭТУ КНИГУ

Книга задумывалась как введение в удивительную область нанотехнологий и нанонауки для неученых. Она нацелена не­посредственно на профессионального читателя, который что-то слышал о нанотехнологиях и хочет узнать, о чем весь этот шум. Книга, преймущественно, связана с наукой, технологией, следст­виями и будущим нанотехнологий, хотя также кратко рассмот­рены коммерческие и финансовые аспекты данного предмета. Вся научная информация, необходимая для понимания книги, рассмотрена в главе 3. Если вы помните школьные курсы химии и физики, все сказанное будет вам знакомо.

Авторы старались быть лаконичными и указать внешние ис­точники, если читатели захотят глубже познакомиться с заинте­ресовавшими их вопросами. Мы также создали необходимый словарь, помогающий лучше понять концепции, упоминаемые в средствах массовой информации, и делающий данную книгу доступной и легкочитаемой. При первом употреблении термин выделяется и определяется, а в словарь в конце книги включены все сформулированные таким образом термины.

Авторы надеются, что данная книга поможет скоротать долгое воздушное или морское путешествие, подстегнет инте­рес к нанотехнологиям и позволит обсуждать их с друзьями и восхищать гостей на ближайшей вечеринке. В последующие годы нанотехнологии будут находиться в центре научных исследований, технологических разработок и коммерческих предприятий, так что знать о них должны все. Начать данный процесс обучения поможет эта книга. Наслаждайтесь!

ЧТО ТАКОЕ "НАНО"

Когда Нейл Армстронг ступил на Луну, он назвал это “маленьким шагом для человека и гигантским прыжком для человечества". Нанотехнологии могут представлять другой ги­гантский прыжок для человечества, но "шаг" в этом случае на­столько мал, насколько мал Нейл Армстронг по сравнению с Солнечной системой. Приставка "нано-" означает одну миллиардную. Один нанометр (сокращенно 1 нм) равен 1/1 000 000 000 метра. Чтобы вы "прочувствовали" этот масштаб, укажем, что толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нанометров, клетка бактерии измеряется несколькими сотнями нанометров, а наименьшие элементы, вытравленные на коммерческом микрочипе, на февраль 2002 года имели размеры порядка 130 нанометров. Наименьшие элементы, которые способен разглядеть невооруженный глаз человека, имеют размер 10 000 нанометров. Один нанометр— это ряд всего из десяти атомов водорода. Это действительно очень мало (рис. 1.2).

Рис. 1.2. На изображении показан размер наноскопических ве­щей по сравнению с некоторыми более знакомыми элементами. Каждое изображение является десятикратным увеличением предыдущего. Видно, что отличие размеров нанометра и человека такое же, как и отличие между человеком и орбитой Луны. © 2001 Lucia Eames/Eames Office (www. eamesoffice.com)

Говоря доступно, нанонаука- это изучение фундаментальных принципов молекул и структур, по меньшей мере, один размер которых равен от 1 до 100 нанометров. Данные элементы называют наноструктурами. Нанотехнология - это применения данных наноструктур в полезныхнаноскопическихустройствах.

Данное определение не является очень привлекательным или совершенным, и очевидно, его нельзя использовать для объяснения всего. Его цель - просто дать понять, что наномасштаб - это не просто мало, это одна из разновидностей размера "мало".

Все, что меньше нанометра, - это просто свободным атом или небольшая молекула, блуждающая в пространстве, как маленькое одинокое облачко пара. Таким образом, наноструктуры не просто меньше всего, что человек делал раньше, они являют­ся наименьшими твердыми материалами, которые можно сделать.

Кроме того, наномасштаб уникален, поскольку это тот масштаб размеров, где знакомые повседневные характеристики материалов, такие как проводимость, твердость или точка плав­ления встречаются с такими экзотическими характеристиками мира атомов и молекул, как корпускулярно-волновой дуализм и квантовые эффекты. В наномире наиболее фундаментальные свойства материалов и машин зависят от их размера так, как не зависят ни при одном другом масштабе. Например, наноразмерный провод пли компонент схемы не обязательно подчиняется закону Ома — почтенному уравнению, основе современной электроники. Закон Ома связывает силу тока, напряжение и со­противление, но он действителен, если электроны "текут" по проводу, как вода по реке, что они (электроны) не могут делать, если провод имеет ширину всего один атом, и электроны должны проходить его по одному. Такая связь размера с наиболее фундаментальными химическими, электрическими и физиче­скими свойствами материалов является ключевой для всех на­ноструктур. Хорошее и лаконичное определение нанонауки и нанотехнологии приводится в документе Национального на­учного фонда США, выпущенном под редакцией Майка Роко (MikeRoco) в 2001 году.

Один нанометр (одна миллиардная часть метра)— это маги­ческая точка на шкале размеров. Наноструктуры находятся на слиянии наименьших из сделанных человеком устройств и наибольших молекул живых организмов. Наукой и техноло­гией в наномасштабе называется фундаментальное понима­ние и получаемые вследствие него технологические преиму­щества, возникающие при использовании новых физических химических и биологических свойств систем, промежуточных по размеру между отдельными атомами и молекулами и мас­сивными материалами, где можно контролировать свойства, промежуточные между двумя граничными состояниями.

Хотя обе сферы имеют дело с очень маленькими вещами, нанотехнологию не стоит путать с родственной областью с неудобоваримым названием — микроэлекромеханические системы (Microeleetromechanicalsystems-MEMS,МЭМС). Специали­сты и инженеры сферы МЭМС занимаются очень маленькими роботами с руками-манипуляторами, которые могут, например, плыть по потоку крови, доставлять медикаменты и чинить тка­ни. Данные крошечные роботы также находят множество применении в таких приложениях, как производство, сборка и по­чинка больших систем. МЭМС уже используются в механизмах запуска автомобильных пневмоподушек и в других сферах. В то же время, если МЭМС как-то пересекаются с нанотехнологиями, несомненно, это не одно и то же. В частности, в МЭМС рас­сматриваются структуры от 1 000 до 1 000 000 нанометров, что гораздо больше наноразмеров (рис. 1.3). Более того, нанонаука и нанотехнология рассматривают все свойства структур в наномасштабе, вне зависимости от того, являются они химическими, физическими, квантовыми или механическими. Эта наука "разноликая" и делится на десятки подобластей.

В нескольких следующих главах подробнее рассматривается "магическая точка на шкале размеров", вспоминаются некото­рые базовые научные понятия, а затем совершается большое пу­тешествие по многим граням и возможностям нанотехнологии.

Рис. 1.3. Наноскопические счеты. Отдельные “костяшки” - это молекулы С₆₀, имеющие размер порядка 1 нанометра. Перепечатано с разрешения Дж. Гимзевского, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

ПРИМЕЧАНИЕ ПО МЕРАМ

Практически вся нанонаука обсуждается с использованием единиц измерения СИ. Ниже приводится краткий перечень малых мер, который поможет установить масштаб, когда мы двинемся в мир очень малых вещей.

Единица СИ (аббревиатура)	Описание
Метр (м)	Приблизительно три фута или один ярд
Сантиметр (см)	1/100 метра, примерно полдюйма
Миллиметр (мм)	1/1 000 метра
Микрометр (мкм)	1/1 000 000 метра, также называется микроном. В данном масштабе представлено большинство интегральных устройств и схем МЭМС.
Нанометр (нм)	1/1 000 000 000 метра, размер отдельных небольших молекул и сфера деятельности нанотехнологии