На краю пропасти
Нанопроцессор выведут в третье измерение
Аккумуляторы заменят на наноконденсаторы
Насколько безопасны нанотехнологии?
Атом неисчерпаем!
В.И. Ленин на полях книги «Мелкие философские работы»
И.Дицгена (Полное собрание сочинений: В 55 т. Т. 29. М., 1979. С. 442).
В 1959 году знаменитый американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Ф. Фейнман прочел лекцию под названием «Внизу полным-полно места», в которой впервые изложил возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных деталей, механизмов и целых устройств) совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в молекулах в требуемом ему порядке.
И вот наконец сегодня эта тема, которая в 60-е годы прошлого века волновала преимущественно писателей-фантастов (у которых вездесущие роботы размером с бактерию занимались починкой не только техногенных систем, но и человеческих организмов), постепенно становится реальностью и даже занимает умы политиков (Правительство России даже образовало специальный правительственный совет по нанотехнологиям во главе с первым вице-премьером Сергеем Ивановым, а Госдума в настоящее время принимает законопроект о создании Российской корпорации нанотехнологий — ГК «Роснанотех»).
И не мудрено — ведь в последние годы область практического применения нанотехнологий стремительно расширяется и наноиндустрия становится очередным, можно даже сказать революционным этапом в развитии науки и техники, сопоставимым по значимости с введением в практику полупроводниковых устройств, изобретенных в конце 40-х — начале 50-х годов прошлого века. А ведь внизу у нанотехнологий еще «полным-полно места» — настоящая пропасть...
Комбинируя атомы
Напомним, что приставка «нано», входящая в название популярных нынче терминов, означает миллиардную часть, а следовательно, речь идет об исследованиях мира, масштабы которого составляют миллиардные доли метра или миллионные доли миллиметра. Именно такими размерами, которые с трудом может представить себе обычный человек, и оперирует одна из самых современных, высокоточных и дорогостоящих отраслей — нанотехнология.
Впервые этот термин был введен еще в 1974 году японским физиком Норио Танигучи, который предложил называть им технологию производства механизмов и приборов размером менее одного микрона. А в 1981 году немецкие физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали так называемый туннельный микроскоп, принцип работы которого состоит в том, что сверхтонкая игла при помощи электрического напряжения «выдергивает» с поверхности вещества отдельные атомы.
Кстати, туннельный эффект открыл еще 80 лет назад наш соотечественник Г.А.Гамов, который впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, названное туннелированием, дало возможность объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, — основы атомной науки и техники. Многие считают, что за столь значимые результаты его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г.А.Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий, однако в технологиях того времени еще было невозможно использовать эти открытия.
Лишь спустя 30 лет после открытия самого эффекта развитие электроники подошло к применению процессов туннелирования: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л.Есаки, удостоенным за это Нобелевской премии. А в 1986 году был создан первый «атомно-силовой» микроскоп, который работает на силах межатомного взаимодействия, и дорога в наномир была открыта.
Позже процессы туннелирования легли в основу целого ряда прикладных технологий, позволяющих оперировать сверхмалыми величинами порядка нанометров. Пока это нижний теоретический предел миниатюризации — меньше уже некуда, разве что атом расщеплять.
Сначала ученые экспериментировали исключительно ради теоретического интереса вплоть до выкладывания из атомов надписей и фигур, удивляющих обывателей. Однако финансисты торопили их к переходу от дорогостоящих интеллектуальных игр к практическим разработкам.
В итоге нанотехнология условно разделилась на несколько подгрупп. Нанотехника занялась созданием конструкций и механизмов (нанороботов). Так появились знаменитые нанотрубки с толщиной стенок в два-три слоя молекул (в несколько тысячных диаметра человеческого волоса), а затем из подобных деталей начали собирать нанодвигатели, наноманипуляторы и т.д. Нанотрубки, открытые в 1991 году научным сотрудником лаборатории NEC в Японии Сумио Идзимой, по существу представляют собой цилиндрические углеродные образования в виде свернутых в трубочку «графитовых сеток», то есть гигантские молекулы, построенные исключительно из атомов углерода, подобно алмазу и графиту. Интересно, что теоретически нанотрубки были предсказаны всего за несколько месяцев до их реального синтеза, причем соответствующие теоретические статьи вышли из печати даже позже, чем статья Идзимы, получившего и исследовавшего первые образцы. Предсказание было сделано одновременно американцем Дж.Минтимиром и русским ученым Леонидом Чернозатонским. Такая графитовая «соломинка» обладает целым рядом уникальных свойств: высокой прочностью (на порядок выше стали), а также целым спектром самых неожиданных электрических, магнитных, оптических особенностей (в частности, в зависимости от строения подобные трубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками).
Наноэлектроника начала создавать наноэлектронные платы и переключатели, а в 1998 году голландский физик Сеез Деккер собрал из нескольких атомов нанотранзистор. В настоящее время усилия ведущих институтов направлены на создание всех компонентов нанокомпьютера, габариты которого будут исчисляться несколькими микронами, а возможно будут даже еще меньше.
Помимо того что такой компьютер уже сам по себе вызывает огромный интерес и имеет большое будущее, он является ключом к созданию автономного наноробота — основной мечты фантастов прошлого и главной цели современных наноинженеров.
Попутно возникла другая проблема: как осуществлять питание таких наномеханизмов и нанороботов? И вот для них уже создают нанобатарейки и наноаккумуляторы, а для подзарядки разрабатываются особые нанодвигатели и наногенераторы.
Из всевозможных наногенераторов интересна разработка инженера Жонга Лин Ванга (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Его генератор работает по принципу пьезоэлемента — ток вырабатывается при внешнем воздействии на торчащие из него многочисленные проводки из оксида цинка (200 нанометров в длину и 20 в диаметре). По мнению создателя, такой генератор наиболее эффективно будет работать в организме человека, превращая его мышечную энергию в электрическую, которую можно использовать для питания нанороботов, функционирующих внутри человеческого организма.
Таким образом, не за горами создание индивидуальных лекарств — «нанороботов-врачей», которые будут запускаться в организм человека для лечения различных болезней, борьбы с вирусами или для омоложения органов. Самой простой их задачей будет очистка сосудов от холестерина, распознавание и уничтожение раковых клеток, а самой сложной — восстановление больных зубов и сращивание переломов костей, а также ремонт ДНК-клеток человека, чтобы сдерживать старость и продлевать жизнь до нескольких сот лет.
Трехмерная модель нанотрубки
Другой сферой применения нанороботов, по прогнозам, станет промышленность и экология — миллиарды микроскопических «слесарей» будут латать дыры в газопроводах, собирать те или иные конструкции или, наоборот, разбирать старую технику. А американский физик Эрик Дрекслер предсказывает создание особых нанороботов, названных им ассемблерами, которые смогут из отдельных атомов собирать самые сложные молекулы и буквально из воды и углекислого газа производить органические вещества, решая, например, пищевую проблему человечества. А можно и наоборот — «разбирать» разлившуюся в море нефть на безопасные для экологии составляющие.
Военные сразу сообразили, что полчища нанороботов (внешне их скопление будет напоминать слизь, облако тонкой пыли или туман) способны также «разобрать» и технику противника, а заодно и его солдат. К созданию «нанотерминаторов» проявили самый живой интерес и Пентагон, и Министерство обороны Китая.
Более того, сейчас ученые ищут способ научить нанороботов саморазмножаться — то есть самостоятельно строить себе подобных из «подручных материалов», которыми как раз могут стать танки или корабли противника, а то и живые люди, чьи ткани можно переработать на пластик.
Военные машины предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины. «Краска» будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. На исследования «нанокраски» Министерство обороны США выделило около двух миллиардов долларов в год. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета. Миниатюрные камеры будут считывать изображение с одной стороны устройства, передавая его на фотоэлементы на другой стороне, формируя таким образом изображение заднего фона спереди машины.
Компания NanoTriton уже выпустила покрытие NanoTufT для прозрачных полимерных поверхностей, которое в несколько раз увеличивает прочность пластика. NanoTufT состоит из наночастиц в растворе. При нанесении их на пластиковую поверхность образуется сверхтвердая пленка, которая защищает не только от биологических и химических агентов, но и от пуль.
Наноэлектроника
Итак, нанотрубки в зависимости от образующего их «узора» молекул могут проявлять различные электронные свойства (от металлов до полупроводников). Поэтому с новыми материалами многие связывают будущее электроники: не исключено, что на основе углеродных нанотранзисторов будут работать и память, и процессоры, которые придут на смену кремниевым. Это позволяет крупнейшим компаниям — производителям электронных компонентов делать заявления о скором наступлении «посткремниевой эры» в радиоэлектронике. Переход с кремния (основного материала в производстве современных полупроводниковых устройств) на нанотрубки может произойти в ближайшие 10-15 лет. В декабре 2005 года от имени Международного комитета производителей было опубликовано официальное сообщение International Technology Roadmap for Semiconductors, в котором говорилось о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. Производители из Японии, Европы, Кореи, США и Тайваня планируют в ближайшее время разработать и начать реализовывать объединенный план перехода на новую технологию. Причем спешка в переходе на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя и создавать что-то принципиально новое, более инновационное, на старой основе невозможно.
Современная электроника по мере миниатюризации уже столкнулась с серьезной проблемой, которую условно называют «тиранией межсоединений». То есть нынешняя полупроводниковая микроэлектроника, несмотря на достигнутый прогресс, фактически остается планарной (плоской) и позволяет осуществлять очень ограниченное число уровней металлизации для формирования соединений между элементами. Такая технологическая особенность не только сдерживает развитие интегральных схем с большим числом элементов, но и не дает возможность аппаратно воплотить исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.
Изображение нанотрубки (снятое электронным
микроскопом с большим увеличением)
Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. И в настоящее время в развитии нанотехнологий наступил наконец такой этап, когда первые результаты, скорее показывающие потенциальные возможности нанотехнологий, начинают сменяться промышленными разработками, которыми можно пользоваться для серийного создания наноэлектронных схем.
Комитет IEEE, чтобы ускорить процесс создания индустриальных стандартов в нанотехнологии, запустил инициативу Nanoelectronics Standards Roadmap, основная цель которого — перенести инновации в наноэлектронике из лабораторий на консьюмерский, информационный, коммуникационный и оптоэлектронный рынки.
Первое собрание по инициативе IEEE было проведено в начале прошлого года, и на нем определились конкретные области применения, а также начата работа по стандартизации технологий. Собрание обозначило требования к наноматериалам, механизмам, функциональным блокам и приложениям. В конце 2006 года был представлен отчет IEEE, где перспективам применения углеродных нанотрубок отведена значительная часть плана. Самый первый наноэлектронный стандарт называется IEEE 1650 (Standard Test Methods for Measurement of Electrical Properties of Carbon Nanotubes). Сейчас нанотехнология уже набрала достаточный потенциал, чтобы выйти на уровень коммерческого применения.
Нанопроцессор выведут в третье измерение
Человечество с каждым днем производит все больше информации, и до сих пор рост вычислительных мощностей происходил в соответствии с так называемым законом Мура. Напомним, что согласно этому закону, сформулированному когда-то Гордоном Муром (Gordon Moore), число транзисторов на кристалле должно удваиваться каждые 18-24 месяца. В настоящее время мировой лидер в производстве чипов — компания Intel работает по 65-нанометровой технологии, однако даже она еще очень далека от подлинных нанотехнологий.
Сегодняшние процессоры имеют в кристалле уже миллиарды транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в тысячу раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор, имеющий более триллиона транзисторов.
Причем нанотехнологии позволят увеличить интеграцию и вычислительную мощность не только за счет уменьшения самих транзисторов, но и благодаря их пространственному расположению.
Кстати, компания Fujitsu уже предложила радиаторы для охлаждения мощных процессоров на основе все тех же нанотехнологий.
Увеличат нанопамять
Американская компания Nantero (http://www.nantero.com/) готовит к выпуску новый тип памяти для компьютеров, в котором используются нанотехнологии. Эту разновидность памяти компания назвала NRAM (Nanotube-based/Nonvolatile RAM, что означает «память с произвольным доступом, базирующаяся на нанотрубках и не требующая постоянного питания»).
Новые чипы будут не только более емкими по сравнению с традиционной памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными (кстати, ее энергонезависимость позволит использовать такую память и в качестве долговременных накопителей информации). Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, производителем микросхем и полупроводниковых устройств. Ее представитель отметил, что первые промышленные образцы NRAM должны появиться уже в текущем году.
Nantero, Inc. активно занимается разработкой новых технологий, в частности уделяет серьезное внимание поиску способов создания энергонезависимой оперативной памяти (RAM) на основе углеродных нанотрубок. Компания Nantero выступила с заявлением о разработке элементов памяти принципиально нового образца, созданных на основе нанотехнологий, еще в 2003 году. И уже тогда речь шла об элементах памяти емкостью более 10 Гбайт, а сегодня объявленные емкости возросли на порядок.
По утверждению компании, NRAM будет иметь значительные преимущества по сравнению с другими видами памяти: будет существенно быстрее и плотнее по записи, чем DRAM, будет потреблять меньше энергии, чем Flash и DRAM, а также будет обладать высокой стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей. Специалисты выражают надежду, что за несколько лет инженерам Nantero удастся добиться плотности записи, в тысячу раз превышающей сегодняшние RAM, а также в сто раз большей скорости считывания.
Интересно, что известнейший производитель жестких магнитных дисков (винчестеров) компания Seagate запатентовала технологию повышения плотности записи, которая также использует нанотрубки, правда уже в качестве «смазывающего» слоя. Дело в том, что плотность записи можно повысить и путем сокращения зазора между головками чтения/записи и магнитной пластиной. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитными пластинами, разделив их тончайшим слоем «смазки» на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать ту часть пластины, с которой должна «контактировать» головка для повышения точности позиционирования магнитных доменов.
Предполагается, что таким образом можно будет создавать довольно компактные и одновременно достаточно дешевые накопители информации емкостью в сотни и тысячи терабайт.
Аккумуляторы заменят на наноконденсаторы
Ученые из Массачусетсского технологического института (MIT) полагают, что батареи на основе нанотрубок скоро заменят традиционные литий-ионные (Li-Ion) и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. В отличие от современных аккумуляторов для мобильных телефонов и ноутбуков, батареи на основе нанотрубок будут заряжаться за несколько минут и количество циклов зарядки/разрядки будет практически не ограничено.
Устройство, которое создали ученые из лаборатории электромагнетизма и электронных систем MIT, представляет собой по сути не аккумулятор, а наноконденсатор, то есть конденсатор, электроды которого покрыты слоем нанотрубок для увеличения их эффективной площади (а соответственно и емкости). Причем такой конденсатор будет разряжаться не мгновенно, а за несколько часов, что позволит использовать подобное устройство в качестве аккумулятора в мобильных компьютерах и ноутбуках.
Полученные экспериментальные образцы суперконденсаторов (так назвали этот тип устройств) однозначно свидетельствуют о том, что количество циклов зарядки/разрядки до заметного снижения функциональности может достигать нескольких сотен тысяч (при этом зарядка такого источника питания занимает всего несколько секунд), что, естественно, несопоставимо с традиционными аккумуляторами (как известно, сегодня гарантируется лишь до тысячи циклов у лучших образцов аккумуляторов, причем при времени зарядки, измеряемом часами).
Нанотрубки различной структуры
Однако до промышленного выпуска таких батарей еще далеко, и, скорее всего, переход на нанотрубочные элементы будет постепенным, по мере роста производства и удешевления всей остальной нанопродукции (впрочем, по предварительным оценкам, взрывной рост применения нанотехнологий должен начаться в ближайшие годы).
Насколько безопасны нанотехнологии?
Несмотря на то что нанотехнологии имеют огромный потенциал и, как говорят эксперты, кардинально изменят общество XXI века, ученые должны дать исчерпывающую оценку всем достижениям в этой области и определить, какое влияние они окажут на экосистему, а прежде всего на жизнь и здоровье человека.
Очевидно, что благодаря высокому потенциалу наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых типов вооружения, которое станет опаснее и коварнее химического и биологического видов оружия. А, как известно, практически все новейшие технологии находят применение прежде всего в военной сфере. Таким образом, получается, что мы можем стать свидетелями рождения одного из новейших видов «грязного» оружия, которое будет пострашнее ядерного. Нанороботы вообще могут уничтожить биосферу Земли, используя ее как строительный материал.
Нет сомнения в том, что в ближайшее время нанотехнология будет широко применяться в самых разных областях прикладной науки и промышленности, включая производство новых видов материалов, систем телекоммуникации, источников энергии и методов лечения. Однако защитники экологии и природных ресурсов, а также эксперты других областей в различных странах говорят о возможном неблагоприятном воздействии нанотехнологий на здоровье человека и окружающую среду. Некоторые из них вообще призывают к установлению моратория на производство и коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий.
Исследования показали, что та же нанотрубка, представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет структуру, похожую на асбест, а этот материал при вдыхании вызывает повреждение легких. Например, специалисты Национального аэрокосмического агентства США (НАСА) опубликовали результаты эксперимента, который показал, что вдыхание большого количества нанотрубок вызывает воспаление легких.
Существует мнение и о том, что нанотехнологии будут оказывать очень неблагоприятное воздействие на экосистему. Так, абсорбирующие свойства наноэлементов значительно выше, чем у других молекул. Следовательно, если они будут распространяться в окружающей среде, возникнет опасность, что наноматериалы станут активно поглощать загрязнители и повсюду их распространять.
 |
|
