Атом насущный

От сантиметров к микронам, от микронов к нанометрам - таков логический путь науки, на котором, однако, встречается много нелогичного

Виктор Принц Фото: Борис Барышников

В стретившись с тульским косым Левшой, подковавшим аглицкую блоху на настоящие подковы, удивленный государь Николай Павлович спросил его: «Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли произвести это удивление?». В ответ услышал: «Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас так глаз пристрелявши».

Николай Лесков вложил в уста своего героя непреложную истину, точно описывающую российскую действительность и сегодня. Но если Левша и без «мелкоскопа» чудеса выделывал, для нанотехнологий необходимо высокотехнологичное оборудование. Сколь бы умными мы не были, атомы и молекулы даже «пристрелявшимся» глазом не разглядишь.

Финансы, оборудование и кадры - три кита, на которых держится наномир. В России финансирование в области нанотехнологий в сотни раз меньше, чем на Западе. Оплатить международное патентование (50 тыс. долларов за патент) для российского нанотехнолога, превращающего научные проекты в реальность, - что-то из области фантастики. Центров, способных работать на атомарном уровне, в нашей стране единицы, в США - сотни. Организаций, специально готовящих нанотехнологов, в РФ и вовсе нет, а в Соединенных Штатах еще в 2001 году была разработана национальная программа по нанотехнологиям, в которой большое значение придавалось подготовке специалистов. Эксперты констатируют сильное отставание России также и в области наноэлектроники, которое, возможно, и удастся преодолеть, но только ценой гигантских усилий. Подобных тем, которые уже предпринимались в истории страны, когда она наращивала ядерную мощь.

«Сегодня для большинства людей нанотехнологии - такая же абстракция, как и ядерные технологии в 30−е годы прошлого века», - сказал в своем последнем ежегодном Послании Федеральному Собранию Президент России Владимир Путин. Дело в том, что нанотехнологиями называют сейчас чуть ли не все - лишь бы содержался хоть небольшой присущий им компонент. Страсти по этой теме вполне объяснимы: где «нано» - там финансирование. «Если раньше просто говорили «микро», то теперь выгодно называть «нано», чтобы получить деньги», - говорит заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН Виктор Принц, ученый с мировым именем, под чьим руководством новосибирскими учеными создано целое направление - новые классы твердотельных наноструктур из полупроводников, диэлектриков, металлов, макеты наноприборов и новые наноматериалы.

В то, что это возможно, верилось с трудом. Вся история развития нанотехнологий - это исключительно воплощение научных фантазий в жизнь. Никто не верил Нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману, предсказавшему в 1959 году, что люди научатся работать с отдельными атомами и молекулами и собирать из них сложные конструкции. Никто не верил Эрику Дрекслеру, предложившему в 1986 году молекулярных роботов. Не верили сибирским ученым, пытающимся от полупроводникового кристалла отделить молекулярный слой - пленку большой площади толщиной в несколько ангстрем (ангстрем - одна десятимиллиардная часть метра - Ред.). Им это удалось. Более того, они научились формировать из отсоединяемых пленок трехмерные объекты: трубки, спирали, кольца, волокна, полусферы, периодические гофрированные структуры. Формы - самые разные, размеры - наименьшие. Созданная технология позволяет отсоединять слои толщиной пять ангстрем. Сегодня ученые работают над технологией, которая позволит отслаивать пленку почти в один ангстрем. Меньше не бывает.

Об исследованиях в области нанотехнологий и перспективах развития этой отрасли в России рассказывает Виктор Принц.

- Виктор Яковлевич, самый первый и, пожалуй, главный вопрос: что такое нанотехнологии?

- Это область прикладной науки, контролирующая и преобразующая материю на атомном и молекулярном уровнях. Это удивительно красивый мир, где работают законы квантовой механики и не работают «обычные» законы макромира. Это создание, производство и использование структур, приборов и систем с размерами нанометрового диапазона.

Если человек научится управлять атомами и молекулами, то сделает все, что захочет. Любые фантазии, не противоречащие законам физики, станут реальностью. Переход к таким размерам открывает качественно новые возможности практически во всех сферах деятельности. Например, в практическом здравоохранении появятся новые методы лечения. Сейчас вы пьете таблетки, которые действуют на весь ваш организм, а благодаря нанотехнологиям лекарственные вещества будут попадать исключительно в больные клетки.

- Нанометр - это сколько?

- Это одна миллиардная часть метра. На ней можно расположить около 10 атомов водорода. Освоение нанометровых размеров уже позволило увеличить плотность и быстродействие транзисторов: первый транзистор, созданный в 1947 году, занимал квадратный сантиметр. Сегодня на такой площади размещается почти триллион транзисторов!

- Что нового разработано в вашей лаборатории?

- Первыми в мире мы предложили и разработали технологию, с помощью которой возможно формирование трехмерных наноэлементов с предельно малыми размерами. Например, трубки с диаметром два нанометра, спирали с диаметром семь нанометров. Нам впервые удалось сформировать структуры строго заданных размеров и строго заданной формы из любых материалов (металлов, диэлектриков, полупроводников). Они служат элементами для изготовления наноустройств и наноматериалов. Причем в отличие от плоских структур, трехмерные объекты более эффективны, более функциональны. Они формируются с атомарной точностью и имеют атомно гладкую поверхность.

- Как формируются трехмерные нанообъекты заданной формы?

- В качестве исходных берутся плоские высокоточные структуры, создаваемые молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ, по существу - это высокоточное вакуумное напыление). МЛЭ способна монослой за монослоем выращивать сложные структуры из различных веществ. Важно отметить, что специально выращиваются структуры, состоящие из упруго сжатых и растянутых слоев. Мы впервые показали, что от полупроводниковых, диэлектрических и металлических кристаллов можно отсоединять слои толщиной до 0,5 нанометров. Отсоединяемые слои под действием упругих напряжений изгибаются. Мы увидели в этом целое направление высокоточного изготовления самых различных наноструктур и наноприборов, так как упругие напряжения в пленках задаются разницей размеров атомных решеток пленок, то есть самой природой. Минимальный радиус изгиба был равен одному нанометру.

В действительности оригинальная технология включает в себя целый комплекс методов и процессов, обеспечивающих высокую точность изготовления объектов. Это, прежде всего, методы направленного изгиба и сворачивания пленок, методы сборки и высокоселективного травления слоев и бездеформационной сушки сформированных структур. По сути, мы имеем дело с молекулярной технологией. Причем, используя данный подход, можем контролируемо формировать нанообъекты различной конфигурации, например, трубки, спирали, кольца, полусферы, иглы и строго упорядоченные массивы на их основе. Такие трехмерные микро- и наноструктуры невозможно сформировать какой-либо другой известной технологией.

Сейчас разрабатывается метод отсоединения слоев толщиной в один атом. Такие монослойные пленки углерода представляют собой новую двухмерную систему с целым рядом уникальных свойств, что делает ее весьма перспективной для создания углеродной наноэлектроники и нанооптоэлектроники.

- Зачем сворачивать нанотрубки, закручивать наноспирали - как используются трехмерные наноструктуры?

- Очень хороший вопрос. Данные объекты являются базовыми элементами наноприборов, устройств, систем. К сожалению, до настоящего времени отсутствовало финансирование на разработку элементной базы наноэлектроники и сложных устройств наномеханики, поэтому мы смогли выполнить разработку только простых устройств. Например, из нанотрубок мы первыми в мире изготовили наношприцы, которые предназначены для использования в клеточной биологии. Они с тонкими стенками и малым диаметром и позволяют проникать в клетку, практически не повреждая ее. Наноспирали используются для создания метаматериалов (искусственных кристаллов, в которых вместо атомов расположены нанообъекты). Большинство трехмерных структур предназначены для использования в электронике.

- Какие-то другие разработки в сфере наномедицины есть?

- Есть много идей. Сейчас думаем о том, как сделать наномоторчики для нанороботов, размер которых был бы меньше размера кровяных телец.

- Для чего они нужны?

- Для адресной доставки лекарств, а также для нанохирургии. Самый острый в мире скальпель (атомно острый) мы уже изготовили.

- Что такое наноанемометр - другая ваша разработка?

- Анемометры - это датчики, которые измеряют скорость потоков газов. Принцип работы стандартного анемометра очень простой: достаточно массивная проволочка, один из элементов анемометра, то нагревается током, то охлаждается - потоком газа. Поскольку проволочка массивная, охлаждение требует определенного времени: всего лишь несколько миллисекунд, но это достаточно много. Совместно с Институтом теоретической и прикладной механики мы создали наноанемометр: заменили проволочку трубкой с тонкими нанометровыми стенками. В результате инерционность такого анемометра существенно меньше, он обладает быстродействием, почти в тысячу раз превышающим действие классических датчиков. Появилась возможность регистрировать возникновение быстрых турбулентных течений и управлять ими.

- В вашей лаборатории создаются новые метаматериалы. Это тоже ваша новация?

- Идея о создании метаматериала 40 лет назад была высказана советским ученым Виктором Веселаго. Метаматериал формируется не из атомов, а из метаатомов - кластеров, которые имеют намного большие размеры, чем атомы. Если изготовить из них кристалл, то получится вещество, которое взаимодействует с электромагнитным излучением по другим законам.

- У метаматериалов нет аналога в природе?

- Свойства метаматериалов существенно отличаются от свойств природных материалов. Свет в них распространяется по совершенно другим законам, у метаматериалов отрицательный коэффициент преломления. Если сделать из них оболочку и внутри поместить какой-нибудь объект, например, металлический цилиндр, то он будет невидим. Отрицательный коэффициент преломления, а также создание невидимости объектов, помещенных за метаматериалом, были продемонстрированы в 2006 году английскими и американскими учеными для гигагерцевого излучения. Первые успешные эксперименты по изготовлению двухмерного метаматериала для терагерцевого излучения мы уже выполнили в 2006−м, планируем перейти к более коротким длинам волн, вплоть до оптических. Для этого будем использовать массивы из наших трехмерных наноструктур.

- Какие еще новинки сегодня разрабатываются?

- Мы получили нанокомпозиционные материалы, представляющие собой полимер с периодически расположенными в нем наноспиралями. Такой материал может быть использован для изготовления динамических поляризаторов терагерцового излучения лазера на свободных электронах. Совместная работа с Институтом ядерной физики СО РАН уже начата.

Разрабатываем оригинальную технологию изготовления графена - слоя углерода толщиной в один атом. Этот материал будет использоваться для изготовления газовых сенсоров чувствительностью в одну молекулу. То есть, графен, подобно собаке, ощущающей на большом расстоянии запах, чувствует прикосновение одной его молекулы.

Сейчас работаем над чувствительными сенсорами, которые необходимы для устройств безопасности. С их помощью можно «увидеть» градиент магнитного поля, градиент поля тяжести. Например, на расстоянии нескольких метров можно засечь, что человек несет ружье, на расстоянии полукилометра можно «увидеть» танк.

Изготовлены макеты нанопринтеров, которые, в отличие от струйных принтеров, «стреляют» каплями не в 100 микрон, а в 10 тысяч раз меньшими.

- Когда была начата работа по наноматериалам в вашей лаборатории?

- 15 лет назад. Первые значительные успехи получены лет семь-восемь назад, когда мы поняли, что сделали действительно новую нанотехнологию.

- Ваши исследования были отмечены какими-то премиями, наградами?

- Для нас наградой является международное признание нашего приоритета. В 2003 году Японское общество прикладной физики наградило нас за лучшую работу года. Ежегодно сотрудникам лаборатории поступают приглашения сделать доклады на конференциях. На Международной конференции в Германии (в 2003 году) и на собрании Американского физического общества (в 2006 году) были созданы специальные секции, посвященные нашей технологии. Эти секции мы открывали докладами. Первая наша статья 2000 года о нашей нанотехнологии уже имеет индекс цитирования более 100.

- Кто сегодня в России еще занимается нанотехнологиями?

- Первыми нанотехнологами можно считать еще древних римлян, использовавших порошки при производстве металлов. Если же определить нанотехнологию на уровне формирования устройств, объектов, материалов с принципиально новыми свойствами, то таких центров у нас два-три. Я не беру во внимание организации, которые не решают ключевых задач. В России сегодня очень мало групп, которые занимаются действительно нанотехнологиями, теми, которые провозгласил Фейнман, а не древние римляне.

- Почему их мало?

- Для того чтобы ими заниматься, нужно высокотехнологичное оборудование. Порошок можно изготовить и разбивая что-то молотком, а вот сделать транзистор и сложную интегральную схему с нанометровыми размерами никаким молотком не получится.

Допустим, некий технолог решил сделать новый нанообъект. Как он увидит атомы, как он увидит молекулы? Когда по телевизору показывают что-то в микроскоп и говорят, что это нанообъект - это удивляет. Потому что все, что меньше, чем длина волны света, в оптическом микроскопе не увидеть.

Нельзя было начать заниматься нанотехнологиями ни в средние века, ни даже в середине прошлого века, потому что не было оборудования, которое позволяло контролировать материю на уровне нанометров. Если вы из атомов и молекул делаете какие-то устройства, вы должны видеть, куда поместили эти молекулы, что произошло с ними. Нужны устройства, которые модифицируют, преобразуют, вытравливают из больших элементов маленькие. Каждое из них стоит в среднем миллион долларов.

В нашем институте подобное оборудование есть, в этом мы имеем некоторое преимущество перед многими другими институтами. У нас есть установки молекулярной эпитаксии, электронной и ионной литографии, плазменного травления структур, а также специальный корпус для технологии.

Весь этот парк оборудования формировался в течение многих лет в результате усилий директоров - академика Анатолия Ржанова, член-корреспондента Константина Свиташева, академика Александра Асеева. Установок молекулярной эпитаксии у нас даже больше, чем в некоторых больших институтах на Западе, и только потому, что в свое время смелый и талантливый физик и организатор профессор Сергей Стенин возглавил разработку советских установок. Но это не означает, что у нас есть все необходимое.

- Кроме оборудования, что еще нужно для развития нанотехнологий?

- Финансирование. Рубль, потраченный на исследования, требует вложения уже десяти на создание макетов, и ста - на запуск производства. Один только завод по изготовлению интегральных схем стоит пять миллиардов долларов. А таких заводов должно быть много. В Соединенных Штатах финансированием наноотрасли занимаются все: и государство, и частные инвесторы - крупные компании. У нас пока нет частных инвестиций в нанотехнологии, поэтому финансирование по сравнению с США в разы меньше. Соотношение - приблизительно один к ста.

- России не догнать США?

- А не нужно догонять. После выхода в 2001 году национальной программы по нанотехнологиям в США японцы проанализировали свою наноотрасль. Поняв, что американцев им уже не догнать, они выделили всего несколько десятков направлений, по которым работают. Мы же работаем по всем направлениям! И по всем хотим догнать и перегнать. В короткие сроки и за малые деньги. Мы работаем без приоритетов - в этом наша главная проблема. И это не только мое мнение, это мнение многих ученых.

- Решение проблемы есть?

- Есть. Нанотехнологии необходимо развивать комплексно, планомерно, ориентируясь на ключевые области. Если все начнут заниматься только «порошками», то ничего из этого не выйдет. Настало время, когда нужно задать вопрос: «куда идти и как идти?» Чтобы наноотрасль в России заработала, нужно лет десять. За год мы никого не догоним и не перегоним. Необходимо сосредоточиться на ключевых областях и на тех, в которых есть задел и есть сотрудники, не боящиеся брать на себя ответственность и работать с полной отдачей.

- Нужны финансы, оборудование и время. Все?

- Еще нужны десятки тысяч нанотехнологов - как минимум около 20 тысяч. Но где они готовятся? Где их взять? Никто этот вопрос не поднимает. Из университетов в лаборатории приходят талантливые люди, но чтобы каждый из них стал настоящим специалистом, необходимо немалое время. Нанотехнолог должен быть и биологом, и химиком, и физиком одновременно. Он должен уметь работать с высокотехнологичным дорогостоящим оборудованием и чувствовать технологию. Должен уметь создавать новое и иметь большое терпение. Нанотехнологии - дело кропотливое.