Нанотехнологии и их перспективы

       В 1996—1998 гг., до принятия ННИ,  специальный комитет американского  Центра оценки мирового состояния  технологий осуществлял мониторинг  и анализ развития нанотехнологий  во всех странах и выпускал  для научных, технических и  административных специалистов  США обзорные информационные  бюллетени об основных тенденциях  и достижениях. В 1999 г. состоялось заседание Межотраслевой группы по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям (IWGN), результатом которого стала разработка прогноза исследований на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США, после чего в 2000 г. было официально объявлено о принятии ННИ.

       В преамбуле к документу тогдашний  президент США Билл Клинтон  заявил: «Я выделяю 500 млн долл. в текущем финансовом году  на государственную нанотехнологическую  инициативу, которая позволит нам  в будущем создавать новые  материалы (превосходящие по характеристикам  существующие в тысячи раз), записать  всю информацию Библиотеки Конгресса  на крошечном устройстве, диагностировать  раковые заболевания при появлении  нескольких пораженных клеток  и добиться других поразительных  результатов. Предлагаемая инициатива  рассчитана по крайней мере  на 20 лет и обещает привести  к важным практическим результатам».

       Япония, как и США, уделяет нанотехнологиям  большое внимание. В 2000 г. японская экономическая ассоциация «Кэйданрэн» организовала специальный отдел по нанотехнологиям при промышленно-техническом комитете, а в 2001 г. был разработан общий план развития нанотехнологических исследований. Его основные положения сводились к следующему: определить в качестве основных направлений «прорыва» в нанонауке информационные технологии, биотехнологии, энергетику, экологию и материаловедение; обеспечить приток крупных капиталовложений в отрасли производства, основанные на нанотехнологиях; энергично развивать исследования в указанных направлениях и внедрять их результаты в производство таким образом, чтобы они стали «флагманами» грядущей нанотехнологической революции; разработать национальную стратегию развития нанотехнологий, организовать эффективное сотрудничество промышленных, государственных и научных ведомств и организаций в данной сфере.

       Страны Западной Европы начали  проводить работы в области  нанотехнологий в рамках соответствующих  национальных программ. В ФРГ  нанотехнологические изыскания  поддерживаются в основном Министерством  образования, науки, исследований  и технологий. В Англии руководство  этим направлением осуществляет  Совет по физико-техническим исследованиям,  а также Национальная физическая  лаборатория. Во Франции стратегию развития нанотехнологий определяет Национальный центр научных исследований.

       Все больше внимания нанотехнологиям  уделяется в Китае, Южной Корее,  ряде других государств. Нанотехнологические  изыскания начали осуществляться  и в странах СНГ, в частности  в России и Украине, как правило,  в ходе проведения государственных  научных программ.

       В Беларуси подобные работы  идут в рамках ГКПНИ «Наноматериалы  и нанотехнологии», принятой на 2006—2010 гг. Она является продолжением  предыдущей государственной программы  ориентированных фундаментальных  исследований с таким же названием,  которая выполнялась в 2003—2005 гг.

       Сегодня трудно предвидеть все  социальные последствия внедрения  нанотехнологий, так же как в  середине ХХ в. трудно было  предсказать, что повлекут за  собой разработки в области  электроники и информатики. Предполагается, что в ближайшие годы бюджетные  ассигнования ведущих индустриальных  стран на изыскания в области  нанотехнологий существенно возрастут.  При этом намеченные исследования  будут нацелены на решение  ряда конкретных задач: создание  сверхминиатюрных запоминающих  устройств с мультитерабитовым  объемом памяти; повышение быстродействия  компьютеров в миллион раз;  создание сверхпрочных материалов  и на их основе — новых  транспортных средств; выпуск  генетических и медицинских препаратов  для диагностики и лечения  раковых заболеваний, СПИДа; разработка  новых материалов и процессов  для защиты окружающей среды  и др.

       О большом внимании, которое уделяет  мировая научная общественность  проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение в  2007 г. Нобелевской премии по  физике за открытие и исследование  одного из необычных явлений  наномира — эффекта гигантского  магнетосопротивления (ГМС). Премии  удостоены француз Альберт Ферт  и немец Петер Грюнберг, независимо  друг от друга открывшие эффект  ГМС в 1988 г. Магнетосопротивление  — это изменение электрического  сопротивления проводника, вызванное  действием внешнего магнитного  поля. ГМС, в отличие от классического  магнетосопротивления, проявляется  в существенно более резком  возрастании электросопротивления  во внешнем магнитном поле (на  десятки процентов). Физический механизм  ГМС базируется на зонной теории  твердого тела, в частности на  спин-зависимых транспортных явлениях. Эффект наблюдается в магнитных  нанопленках и нанопроволоках, которые благодаря ему можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля, способных реагировать на ничтожно малое его изменение. Их применение существенно изменяет промышленное производство устройств магнитной записи на жесткие диски и другие магнитные носители информации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Основные  достижения нанотехнологий 

     Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).

     Для того чтобы увидеть атом, существует, как считается, громоздкий и дорогой  электронный микроскоп. Однако, несмотря на известную поговорку, не всегда лучше  один раз увидеть, чем сто раз  услышать. В ряде случаев можно  получить больше информации, если атом... ощупать, в буквальном смысле. Для  этого и существует сканирующая  зондовая микроскопия. Зонд – это  микроскопический, чрезвычайно чувствительный щуп, который пробегает, сканирует, шероховатости поверхности атомарного размера. Более того, в ряде случаев  зонд физически может двигать  атомы.

     В основе сканирования или «ощупывания» лежит достаточно простой принцип  – атомы острия щупа «чувствуют»  атомы, находящиеся на поверхности, тем сильнее, чем ближе они  находятся друг к другу. Это похоже на то, как отталкиваются два сухих  воздушных шарика, наэлектризованные  о шерстяной свитер или волосы. В случае СЗМ возникающие силы межатомного взаимодействия чуть-чуть изменяют положение щупа и это  можно обнаружить за счет чувствительных детекторов. Подобным образом мы ощущаем  приближающийся наэлектризованный  воздушный шарик, который еще  даже не коснулся наших волос.

     Первый  сканирующий зондовый микроскоп  был придуман на кончике пера и  затем создан в 1982 году Г. Биннигом и  Г. Рорером из Цюрихского отделения  фирмы IBM. Этот микроскоп, правда, регистрировал  не изменение положения острого  щупа, а изменение так называемого  туннельного тока, возникающего за счет «проскока» электронов, происходящего  между поверхностью материала и  сверхтонкой иглой, как только она  приближается к поверхности на расстояние, сравнимое с межатомным. Движение иглы над поверхностью образца осуществлялось с помощью специальных «пьезодвигателей», способных создавать запрограммированные  компьютером перемещения с шагом  в сто миллиардные доли метра. Столь необычный и чрезвычайно  эффективный способ исследования поверхности  очень быстро был оценен научной  общественностью и в 1986 году Бинниг и Рорер получили нобелевскую  премию за разработку «сканирующего  туннельного микроскопа» (СТМ). С  появлением СТМ, а впоследствии «атомно-силового микроскопа» (АСМ, 1986 г.) и других модификаций  сканирующих зондовых техник стало  возможным сделать новый шаг  в изучении окружающего нас мира. Современные методы зондовой микроскопии позволяют изучать рельеф, состав и структуру, “видеть” и перемещать единичные атомы и молекулы. За последнее десятилетие применение зондовой микроскопии позволило значительно расширить познания в различных областях физики, химии и биологии. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенона на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона.

     При выполнении подобных манипуляций возникает  ряд технических трудностей. В  частности, требуется создание условий  сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп  до сверхнизких температур, поверхность  подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

     Основой всех типов сканирующей зондовой микроскопии является, как уже  отмечалось, взаимодействие зонда с  исследуемой поверхностью за счет механических, электрических или магнитных  сил. Природа взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или  иному члену семейства зондовых микроскопов.

       Наночастицы

     Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень  маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы  некоторых материалов имеют очень  хорошие каталитические и адсорбционные  свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных  батарей. Такие батареи более  дешевы и могут быть механически  гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно  очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться  в определенные структуры. Такая  структура содержит строго упорядоченные  наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты  делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, двумерные объекты и одномерные объекты - вискеры.

     Самоорганизация наночастиц. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК.

     Проблема  образования агломератов. Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, нерастворимых в воде. Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. 

       Новейшие достижения

     В настоящее время, наноматериалы  используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного  оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси  на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД  двигателя и снизить степень  загрязнения выхлопных газов. В 2002 году на Кубке Дэвиса\Davis Cup были впервые  использованы теннисные мячи, созданные  с использованием нанотехнологий. В 2007 году в Новосибирске начали производить  лекарство-тромболитик (совместная разработка фармацевтиков и физиков-ядерщиков), которое не имеет аналогов в мире по эффективности, а цена во много раз меньше.

     Производители уже получают первые заказы на наноустройства. К примеру, армия США заказала компании Friction Free Technologies разработку военной  формы будущего. Компания должны изготовить носки с использованием нанотехнологий, которые должны будут выводить за пределы носков пот, но сохранять  ноги в тепле, а носки в сухости. Неизвестно, будут ли такие носки  нуждаться в стирке.

     Графен. В октябре 2004 года в Манчестерском университете было создано небольшое количество материала, названного графен. Роберт Фрейтас предполагает, что этот материал может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств.

     Новый процессор Intel. 19 июня 2007 года компания Intel начала выпускать обычные и многоядерные процессоры, содержащие наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. В дальнейшем компания намерена перейти на новые материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки. Основной конкурент Intel – AMD, во второй половине 2008 года запустит процессоры, выполненные по 45-нм техпроцессу.