|
| Для зарегистрированных пользователей |
|
Нанотехнология: главное - размеры
Джим Акин
Новость о первых неуверенных шагах, сделанных ребенком коллеги, обычно вызывает лишь протокольные поздравления и вынужденный беглый взгляд на переданные по электронной почте снимки. Но недавнее такого рода объявление Надриана («Неда») С. Симэна и Уильяма Б. Шермана из университета Нью-Йорка удостоилось внимания нескольких научных журналов.
В первую очередь внимание привлекли размеры нового пешехода, чрезвычайно малые для его возраста, да и для любого возраста вообще. Рост ходока с парой ног, сконструированных из цепочек ДНК, - всего 10 нм, примерно 1/25 000 диаметра точки, которая стоит в конце этого предложения. По словам Симэна, малыш, шагающий по дорожке ДНК, - «естественное следствие ранее проделанной работы».
Симэн и Шерман, которые назвали свое детище A Precisely Controlled DNA Biped Walking Device (двуногое шагающее ДНК-устройство с прецизионным управлением), подчеркивают, что пешеход не имеет практических применений. Даже называя его «роботом», Симэн не спешит объявить устройство предвестником субмикроскопической автоматизации. Однако он не исключает возможности некоторых практических применений.
«Мы будем экспериментировать с более длинными дорожками, - говорит он. - В будущем мы, вероятно, попытаемся перенести с его помощью груз. Возможно, мы попробуем использовать устройства для деформации полимеров. Перемещаясь по кольцевым дорожкам, они будут захватывать, изгибать и переплетать волокна».
Кому бы ни принадлежали права первооткрывателя и какими бы ни были практические применения, пешеход этот, по мнению Симэна, - еще одно звено в постоянно ускоряющейся цепи событий, которые превращают нанотехнологию из научной фантастики в научный факт и открывают перед исследователями захватывающие перспективы.
«Я понимал, что эта область представляет интерес, еще в 1980 г., - говорит Симэн. - И теперь, проработав в ней почти четверть века, я вижу, что успехи нарастают как снежный ком».
Смелые прорывы. Нанотехнология - конструирование полезных веществ и устройств на молекулярном уровне - перестала быть объектом слухов и футуристических проектов. Она становится основой прибыльных предприятий и полезных продуктов и уже так или иначе затрагивает нашу жизнь. Нанопродукты можно обнаружить в автомобиле, которым вы управляете, и в краске на стенах вашего дома. Благодаря им совершенствуется медицинская диагностика, улучшается состав строительных материалов и пластмасс и происходят революционные прорывы в электронике и вычислительной технике. Не заблуждайтесь: конструирование в очень малом масштабе - дело огромной важности.
По прогнозам отраслевой ассоциации NanoBusiness Alliance, к 2010 г. мировой рынок нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. долл. Специалисты Национального научного фонда предсказывают, что к 2016 г. только рынок США вырастет до 1 трлн. долл. Большинство штатов США учредили программы или административные структуры для развития наноисследований и поддержки коммерческих предприятий. Федеральное правительство признало нанотехнологию делом национальной безопасности. В 2000 г. на исследования было выделено 422 млн. долл., а общий объем финансирования с 2005 г. по 2008 г. составит 3,8 млрд. долл. Федеральные нанотехнологические фонды распределяются через множество организаций, в том числе через Министерство обороны, Министерство энергетики, НАСА и Национальную нанотехнологическую инициативу (National Nanotechnology Initiative) - программу развития и финансирования проектов по всей стране.
Несмотря на осязаемые успехи, трудно составить точную картину развития нанотехнологии. В данной статье мы постараемся отделить несбыточные обещания от реальных перспектив каждой разновидности нанотехнологии.
Сверхмалые размеры. Одна из причин трудного «характера» нанотехнологии заключается в том, что ее сфера - непостижимо малые по своим масштабам элементы. Нанометр - единица измерения, которая дала название нанотехнологии, - составляет одну миллиардную часть метра. Атом водорода, наименьший из существующих в природе, имеет диаметр около 1/10 нм; диаметр человеческого волоса - около 75 тыс. нм. Типичная молекула, по своей сложности отвечающая требованиям нанотехнологии, может состоять из 100 атомов и иметь диаметр от 1 до 10 нм.
Еще одна причина ложных представлений о технологии унаследована от ее чисто теоретического прошлого: ее объявляли ключом к победе над болезнями и загрязнением окружающей среды, к созданию настольных фабрик, где невидимые роботы будут производить невообразимые изделия, и даже к фактическому бессмертию. Одновременно ее клеймили как потенциальную чуму, которая приведет к появлению армий нанороботов, вытесняющих людей, или покроет землю серой слизью побочных молекулярных продуктов. Неудивительно, что действительность не имеет ничего общего ни с розовыми мечтами, ни с ужасами.
Последний и самый важный источник путаницы с нанотехнологией - семантический. В немалой степени определение нанотехнологии зависит от специалиста, которому задан вопрос.
Теоретик К. Эрик Дрекслер предложил слово «нанотехнология» в 1980 г., описывая им теоретический (в то время) молекулярный производственный процесс с использованием компонентов и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот диапазон размеров получил название наномасштаб - nanoscale). Дрекслер сожалеет, что в настоящее время термин практически потерял смысл, и потому возглавил движение за ограничение области нанотехнологии наномасштабными объектами, построенными «снизу вверх» исключительно из молекулярных блоков, в отличие от устройств, полученных в результате миниатюризации «сверху вниз».
Различие в направлениях конструирования подчеркивает удивительное влияние квантовых эффектов на структуры, построенные в молекулярном масштабе. В природе область действия квантовых сил ограничивается внутренним пространством атомов и связями между атомами. Но когда молекулы составляются новыми способами «снизу вверх», квантовые эффекты могут придать им необычные, но очень полезные физические свойства. Примеры тому - исключительно высокая электрическая проводимость или сопротивление, огромные возможности для хранения и передачи тепла и даже полупроводниковые свойства.
Различие «сверху вниз/снизу вверх» имеет важное значение: самые перспективные применения нанотехнологий связаны с квантовыми эффектами. Но Дрекслер и другие пуристы уже проиграли сражение. Хорошо это или плохо, однако специалисты по маркетингу расширили понятие нанотехнологии и относят к ней любой продукт или процесс с размерами менее 100 нм. В широком значении термин уже применяется даже для микроэлектрических механических систем (microelectrical mechanical systems, MEMS) - класса микроскопических устройств, изготовленных методами, заимствованными у индустрии производства микросхем. К MEMS относятся моторы, приводы, гироскопы и акселерометры, управляющие воздушными мешками автомобилей. MEMS значительно меньше, чем комнатные клещи; они сверхминиатюрны по любым меркам, но их габариты могут в 1000 раз превышать наномасштабные объекты.
Практическое преимущество широкого определения нанотехнологии заключается в том, что оно привлекает внимание к пограничной зоне между мельчайшими продуктами миниатюризации и крупнейшими продуктами молекулярного конструирования. В следующие несколько лет, благодаря гибридным компонентам и технологиям, в этой области будет наблюдаться важный, хотя и постепенный прогресс технологий, что, в свою очередь, повлечет за собой более радикальные технические сдвиги в будущем.
Наносхемотехника. Перспективный план фирмы Intel на предстоящее десятилетие предусматривает дальнейшую миниатюризацию современных архитектурных решений и их сосуществование с новыми компьютерными нанотехнологиями. По прогнозам специалистов Intel, пределы возможностей стандартных производственных процессов будут достигнуты около 2011 г., когда размеры транзисторов, изготавливаемых на 22-нм оборудовании, уменьшатся до 10 нм, по сравнению с 50 нм при использовании 90-нм процесса Pentium 4.
Представители Intel сообщили, что вопрос о методах изготовления транзисторов размером менее 10 нм пока остается открытым. Компания изучает возможность дальнейшей миниатюризации своих КМОП-структур с применением новых производственных технологий. Также ведутся исследования и строятся планы интеграции фирменных аппаратных средств с альтернативными нанотехнологиями. Среди них - квантовые вычисления, которые позволят выйти за пределы двоичной системы, заменив бит q-битом (qbit). В q-бите отдельный электрон может представлять 0, 1 или занимать третье, промежуточное положение, обеспечивая новые подходы к логическим операциям.
Для проектирования схем можно использовать сложные наномолекулы, называемые дендримерами (dendrimer). Дендримеры представляют собой вложенные молекулярные сферы. Они были разработаны в Молекулярном институте штата Мичиган (MMI) и продаются на коммерческой основе через дочернюю фирму Dendritech. Каждый слой имеет уникальный состав, в зависимости от функции дендримера. Для проектирования схем очень важно, что выпускаются дендримеры дискретных габаритов. «Диаметром они могут быть от 1 до 10 нм, и размер выдерживается очень точно», - говорит Петар Р. Дворнич, старший исследователь института MMI.
С помощью инструмента для перемещения наночастиц, такого, как атомный микроскоп, исследователь может строить плоские схемы, составив матрицу из дендримеров. «Из маленьких шариков одинакового размера можно построить любую структуру, - говорит Дворнич. - Чтобы получить проводник, нужно взять маленький шарик, наполненный медью. Если требуется изолятор, то следует использовать шарик с начинкой из материала, который можно прожечь лазером и получить воздушное пространство».
В настоящее время массовое производство дендримеров невозможно. Но Дворнич указывает, что не требуется большой фантазии, чтобы представить себе процесс, похожий на современную печать или травление: двумерный массив дендримеров, в сущности, представляет собой точечную матрицу, а дендримеры с различными функциями соответствуют краскам.
Тем временем в штаб-квартире компании ZettaCore в Денвере инженеры пытаются использовать нанотехнологии, чтобы резко увеличить плотность хранения информации. Они нашли способ сохранения информации в молекулах, который имитирует процесс хранения энергии в живых клетках. Производственный подход ZettaCore основан на использовании ферментов и метаболических процессов, которые обеспечивают самосборку молекулярных компонентов. ZettaCore работает над гибридной технологией памяти, в которой стандартный процесс изготовления памяти будет использоваться для укладки молекулярного запоминающего слоя на обычные подложки микросхем.
Совершенно пустотелые нанотрубки. Новая компания Nantero из Уобурна (шт. Массачуссетс) работает над конкурирующей технологией памяти, которая может использоваться также для носителей хранения данных. Данные сохраняются путем укладывания электронов в структуры, именуемые углеродными нанотрубками (carbon nanotube, CN) - класс нанопродуктов, которому прогнозируют важную роль в любой нанокомпьютерной архитектуре.
Нанотрубки представляют собой углеродные цилиндры диаметром 1 или 2 нм, своей структурой напоминающие бесшовные рулоны мелкоячеистой проволочной сетки. Они - образец необычных следствий квантового эффекта в наноструктурах. Углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве нанопроводов в молекулярных компьютерах, благодаря квантовому свойству, называемому туннелированием электронов (electron tunneling) - передаче электрических сигналов в масштабах, где обычный электрический ток невозможен. Исследовательская группа компаний Hewlett-Packard, Caltech и университета Лос-Анджелеса (UCLA) первой предложила применить нанопровода для соединения отдельных компонентов молекулярных компьютеров.
Еще более необычные квантовые свойства нанотрубок стали основой для исследований в области углеродных интегральных схем. Изменения в геометрии нанотрубок - например, спиралеобразное, подобно бумажному полотенцу, свертывание мелкоячеистой сетки, с различными диаметрами и расстояниями между витками - превращают углеродные нанотрубки в полупроводники. Исследователи фирмы IBM сконструировали переключатели, транзисторы и другие компоненты, экспериментируя с входами и выходами массива углеродных нанотрубок. Наряду с другими компаниями IBM пытается построить процессор, в котором логика будет реализована буквально в соединениях.
Специализированное производство углеродных нанотрубок с определенными свойствами по-прежнему остается далекой мечтой. Но выпуск массивов нанотрубок - с использованием процессов, обеспечивающих трубки различной длины, диаметра и геометрии, - одно из самых многообещающих направлений нанотехнологии, которое быстро превращается в самостоятельную мини-индустрию.
Полезные свойства углеродных нанотрубок не ограничиваются уникальными электрическими характеристиками. Они прочнее кевлара и долговечнее алмазов; даже небольшие добавки углеродных нанотрубок могут значительно улучшить волокна и композитные материалы. Они не подвержены коррозии и не горят в обычных условиях. С их помощью можно получить электропроводную пластмассу. Благодаря этим свойствам углеродные нанотрубки пользуются успехом в самых разных отраслях промышленности.
Например, компания Toyota добавляет композиционный материал на основе углеродных нанотрубок в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.
Другое применение массивов углеродных нанотрубок основано на еще одном необычном квантовом свойстве: благодаря электронному туннелированию пленка CN-композита, наложенная на проводящую поверхность, образует матрицу точно сфокусированных электрических полей, которые могут вызывать свечение люминофоров видеодисплея. Компания Samsung и другие используют углеродные нанотрубки в дисплеях с малым потреблением энергии и телевизионных экранах высокой четкости.
Тем временем компании NEC и Sony совместно проектируют батарею для портативных ПК, в которой используется способность углеродных нанотрубок хранить химическую энергию. По словам представителей компаний, время работы батареи без перезарядки будет измеряться неделями. Фирмы Mitsubishi и Motorola также работают над CN-батареями, которым можно будет придать любую форму и даже встроить в пластмассовый корпус устройства.
Потребительские нанопродукты. Идея Эрика Дрекслера о субатомных робофабриках по-прежнему относится к категории дерзкой научной фантастики, но век потребительских нанопродуктов уже начался. (Некоторые считают, что он начался задолго до того, как ему было придумано имя: например, древесный уголь был основной добавкой к материалу автомобильных шин в то время, когда никому еще не было известно, что содержащиеся в нем наночастицы стабилизируют резиновые полимеры.)
Считается, что эра сознательного применения потребительских нанопродуктов началась с солнца: благодаря наночешуйкам окиси цинка, разработанным фирмой Nanophase Technology, удалось изготовить невидимые солнечные экраны. Крошечные наночешуйки отражают вредные ультрафиолетовые лучи. Но, в отличие от крупных хлопьев, они слишком малы, чтобы рассеивать видимый свет, и поэтому не выглядят белыми. Недавно Nanophase начала выпускать нанодобавки, которые придают поверхности полов блеск.
Гигант японской промышленности компания Nippon нашла разнообразные применения для наночастиц из двуокиси титана, материала, который меняет ход биологических процессов под воздействием света. Наночастицы, добавленные в стекло, невидимы (как солнечные экраны Nanophase), но отталкивают грязь. При добавке в краску наночастицы убивают микроорганизмы и могут использоваться в помещениях с повышенными требованиями к асептике, например в операционных.
Нанотехнологии находят непосредственное применение и в здравоохранении и уже значительно повышают точность обнаружения и диагностики болезней. Крупная категория коммерческих нанопродуктов - полупроводниковые нанокристаллы, известные также как Q dots. Они представляют собой наночастицы полупроводникового материала, которые отмечают индикаторы болезни, такие, как раковые клетки или антитела HIV (Human immunodeficiency virus - вирус иммунодефицита человека, ВИЧ). В полупроводниковых нанокристаллах, выпускаемых фирмой Quantum Dot, используется квантовый эффект, который влияет на поведение наночастиц в светоизлучающих полупроводниках (например, светодиодах), отличая последние от аналогичных больших приборов.
Цвет макромасштабных полупроводников, таких, как светодиоды, определяется их химическим составом: один состав дает зеленое свечение, другой - красное и т. д. Независимо от своего макромасштабного цвета нанокристаллы каждого светодиода могут излучать свечение любого цвета радуги. Оттенок зависит от диаметра каждого кристалла. (Маленькие кристаллы светятся синим цветом; крупные - красным.)
Инженеры фирмы Quantum Dot проектируют нанокристаллы прецизионного размера и цвета и крепят их к «поисковым» молекулам, например антителам или последовательностям ДНК, которые привязываются к конкретным тестовым веществам. При введении в кровь пациента или в пробирку с лабораторным образцом носители привязываются к целевым объектам и «сообщают» о них свечением нанокристаллов; обнаружить свечение можно даже сквозь несколько дюймов кожи и тканей.
Дендримеры, вид вложенных сферических молекул, которые можно использовать для проектирования схем, будут с пользой применяться также в медицинской диагностике, и, по сообщению Дворнича из института MMI, уже разрабатываются соответствующие терапевтические методы. Дворнич объясняет, что специализированные дендримеры для доставки лекарств могут состоять из центральной лекарственной сферы, оболочки-контейнера, предотвращающего утечку лекарства, и липкой внешней поверхности, к которой крепятся поисковые агенты. Поисковые агенты доставляют шар к цели, где лекарство освобождается от оболочки.
Механизм освобождения лекарства по-прежнему находится в стадии разработки, но один метод уже зарекомендовал себя как эффективный, хотя и не очень элегантный. «После того как дендример достигает цели, - говорит Дворнич, - он подрывается с помощью лазера, и все части дендримера безопасно усваиваются организмом. Еще одно перспективное решение - капсулы, структура которых меняется при различных уровнях pH». Этот метод должен быть эффективным при заболеваниях таких органов, как желудок и печень, которые по кислотности отличаются от остальных органов.
Внимание компании iMEDD в Колумбусе (шт. Огайо) сосредоточено еще на одном способе прецизионной доставки лекарств. iMEDD разработала подкожные имплантаты, которые хранят лекарства и выпускают их через пористые мембраны. iMEDD подгоняет размеры пор под молекулы определенных лекарств, очень точно регулируя дозировку и скорость ввода лекарств.
Малые мечты. Осознаем мы это или нет, но нанотехнологии уже влияют на нашу жизнь. Нанопродуктам принадлежит важная роль в материаловедении и в различных прикладных областях, от косметики до обработки изображений в медицине. Но нанотехнология находится в младенческом возрасте, ее пока можно сравнить с усовершенствованными бухгалтерскими счетами в мире компьютеров.
В следующем десятилетии прогнозируется быстрое развитие технологии: активные исследования, коммерческие и промышленные инвестиции будут двигать нанотехнологию вперед. Произойдет естественный отбор наиболее эффективных подходов к нановычислениям; в устройствах появятся компоненты на базе молекулярных технологий. Множество недорогих углеродных нанотрубок в сверхпрочном пластике приведут к исчезновению кузовных автомастерских, зато важнейшей проблемой станет вторичная переработка.
Продолжатся исследования в области нанороботов, предположительно гораздо более быстрыми темпами, чем у первого нанопешехода Симэна. Микроскопические рабочие фабрик и интеллектуальные агенты по-прежнему останутся научной фантастикой, но кто знает, что ждет нас в будущем? Возможно, двуногие роботы будут сплетать волокна или выполнять более сложные работы. А в свободные минуты они, может быть, спляшут.
Джим Акин - независимый автор, пишущий на темы технологии
|
