С нанотехнологиями мы встречаемся повсеместно. Вот муха ползёт по потолку, почему она не падает? Это нанотехнология, она ею овладела. Или почему лотос считается символом чистоты? Потому что к нему не пристаёт никакая грязь. У него тоже своя нанотехнология.

А поговорка «как с гуся вода», откуда она? Гусь вышел из воды, отряхнулся и сухой. Это тоже нанотехнология, гусь ею овладел задолго до человека.

И вот теперь дошла очередь и до людей. Сейчас мы начали осваивать нанотехнологии, которые были в животном и растительном мире задолго до появления человечества.

Свойства материалов, привычные для человеческих органов восприятия, существенно изменяются, если геометрические размеры частиц становятся размером менее 100 нанометров. Появляются новые качества, отличающиеся от свойств такого же материала с большими размерами частиц. Всё дело в межатомных и межмолекулярных взаимодействиях.

Считается, что впервые о принципиальной возможности нанотехнологий сказал знаменитый физик Ричард Фейнман ещё в 1959 году в своей лекции в Калифорнийском Технологическом Институте.

Лекция была публичной и называлась примечательно: There’s Plenty of Room at the Bottom (Там внизу – много места). Почему внизу, не знаю, скорее внутри.

Р. Фейнман показал, что в принципе возможно целенаправленно механически манипулировать отдельными атомами и молекулами. Принципиальная возможность вовсе не означает, что мы уже умеем это делать. Прошло не менее четверти века, прежде чем появился первый инструмент воздействия на атомы и молекулы.

И только спустя 15 лет японский физик Норио Танигучи ввёл в научный оборот слово «нанотехнология», обозначив им любые манипуляции с объектами размером менее одного микрона.

Затем в ходе практического внедрения нанотехнологий многократно пытались определить границу, обособляющую нанотехнологии от прочих технологий на уровне десятков нанометров. Как дальше увидим, не всё из этого получилось.

Романтика первого знакомства

В 1992 году перед комиссией Конгресса США выступал писатель-фантаст Эрик Дрекслер, получивший титул «пионера нанотехнологий». Он рисовал картину будущего, в котором нанотехнологии преобразили всё – нет загрязнения окружающей среды и болезней, всё необходимое для человека напрямую изготавливается молекулярными роботами, соединяющими и разъединяющими атомы и молекулы.

Ещё в 1986 году Э. Дрекслер опубликовал книгу «Машины созидания». Основная мысль книги выражена словами: "Наша микроэлектронная технология сумела загнать машины, столь же мощные, как компьютеры размером в комнату вначале 1950-ых, в несколько кремниевых чипов в карманном компьютере.

Инженеры теперь делают устройства меньшие, чем когда-либо, раскидывая группы атомов по поверхности кристалла так, чтобы образовывались связи и компоненты в одну десятую толщины тончайшего волоса.

Эти микросхемы могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор всё ещё содержит триллионы атомов, и так называемые "микрокомпьютеры" всё ещё видимы невооружённым глазом. По стандартам более новой, более мощной технологии они будут выглядеть гигантскими.

Древний стиль технологии, который можно проследить от чипов кремня до кремниевых чипов, обращается с атомами и молекулами в больших совокупностях; назовём это балк-технологией (bulk - оптовый).

Новая технология будет манипулировать индивидуальными атомами и молекулами, под контролем и прецизионно, – назовём такую технологию молекулярной. Она изменит наш мир в большем количестве областей, чем мы можем вообразить.

Микросхемы имеют части, измеряемые в микрометрах, то есть в миллионных долях метра, но молекулы измеряются в нанометрах (в тысячу раз меньше)" ¹.

Мы упомянем о нанотехнологиях в электронике, но за прошедшие чуть ли не 30 лет выяснилось, что одной электроникой дело не ограничилось.

В 2000 году Правительство США сформировало фонд «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative - NNI).

Тогда из федерального бюджета США было выделено 500 млн. долл. В 2014 году NNI получит уже 1,7 млрд долл. NNI в настоящее время координирует и финансирует инициативы физических и юридических лиц в увязке с другими федеральными ведомствами США и с Национальным советом США по науке и технологии (National Science and Technology Council - NSTC).

При поддержке NNI нанотехнологии внедряются в различные сферы экономической деятельности, от крупных университетов до малых фирм. Задача NNI - ни много, ни мало, а совершение революции в технологиях всех отраслей экономики США.

В Японии реализуется серия проектов в сфере нанотехнологий, общее финансирование по ним неизвестно из-за того, что государственное финансирование совмещено с частным. Но известно, что совокупные инвестиции Японии в нанотехнологиии — крупнейшие в мире.

Так, в самый крупный проект Angstrom Technology Project вложено 185 млн. долл. США, а в академгородке «Цукуба» был создан новый междисциплинарный центр по нанотехнологическим исследованиям.

В 2015 году, по оценке компании Lux Research, в мире в целом расходы на нанотехнологии составят 2,4 трлн. долл., это больше, чем ВВП России. Эти средства пойдут на внедрение новых материалов и продуктов во всех сферах повседневной жизни. По прогнозам, в мире ежегодно будет расходоваться около 300-400 млрд. долл. США.

Первые два места в этой нанотехнологической гонке займут Япония и США с незначительным отставанием от них Евросоюза. Россия пытается их догнать, но возможности здесь ограничены не только финансами, но и структурой экономики, в которой очень сложно продвигать технологические инновации.

Давайте начнём описание того, что такое нанотехнологии с самого низа, с рядового инструмента нанотехнолога.

Что такое кантилевер

Кантилевер, рабочий орган для перемещения атомов и молекул, представляет собой миниатюрный брусок с размерами 1,5×3,5×0,5 мм. На конце его закреплена пирамидка высотой от 0,1 до 0,5 мм и сторонами 0,03 мм.

Искривление бруска приводит к перемещению кончика пирамидки (иглы). При этом изгиб может быть относительно большим, а перемещение острия – меньшим. Форма иглы может значительно изменяться в зависимости от способа изготовления. Радиус острия иглы кантилеверов в промышленном производстве – в пределах 5-90 нм, лабораторных — от 1 нм.

Одна из сторон пирамидки зеркальная, для этого на неё напыляют тонкий слой металла, чаще всего, алюминия. И если направить на неё луч лазера, то перемещение кончика пирамидки приводит к изменению положения этой зеркальной поверхности и отклонению луча лазера. А, следовательно, можно построить оптическую систему, которая контролирует перемещение острия и, соответственно, изгиб бруска – балки кантилевера. Чем длиннее и тоньше балка кантилевера, тем меньшие усилия можно на нём получить.

Механический изгиб балки был бы слишком грубым. Поэтому разумно изгибать её электрическим импульсом. Это определяет материал, из которого её изготавливают.

Обычно это монокристаллический кремний или нитрид кремния (Si₃N₄), но иногда используют полимеры, которые обладают близкими свойствами. Пирамидка (игла) изготавливается часто из алмаза или другого твердого материала, природного или искусственного.

Жесткие кантилеверы нужны для соединения и разъединения атомов и молекул, а также для модификации поверхности. С их помощью можно гравировать поверхность, наносить на неё нанорисунок не только гравировкой, но и выдавливанием (аналогом известной всем чеканки). Жёсткость кантилевера зависит и от его геометрии, от соотношения сторон и их линейности.

Для изготовления кантилевера используют алмаз, кремний или нитрид кремния, повсеместно идут поиски других подходящих материалов и покрытий для них. Так чтобы отражающие свойства той части пирамидки-острия, по которой отслеживается его положение были более совершенными, эти покрытия изготавливают из цирконата-титаната свинца и других экзотических соединений.

Помимо горизонтальных перемещений ("перекатывания") атомов и молекул с помощью кантилевера их можно поднимать и переносить.

Для этого на него подают электрический потенциал. Многие встречались с этим физическим эффектом и в макромире, когда синтетическая одежда прилипает к телу.

Так и кантилевер захватывает нужный исследователю атом, отрывает его от поверхности и поднимает за собой на несколько ангстрем. Для атома высота небывалая. Когда атом отрывается от поверхности, приборы улавливают это по скачку тока.

Прилипший атом перемещают на намеченное место и сбрасывают его, уменьшив расстояние от кантилевера до поверхности и переключив напряжение. Аналогичные манипуляции приходится делать тем, кто снимает статическое электричество антистатиком.

Но вернёмся к светлому будущему, увиденному Эриком Декслером в 1992 году.

Тут, как всегда некстати, вмешалась экономика. Выяснилось, что получать новые материалы с помощью механического перемещения атомов и молекул технически возможно, но экономически невыгодно.

Надпись выложить можно, но производить товары в массовом количестве нельзя. Но утверждение это относится лишь к текущему моменту, уже в самое ближайшее время могут появиться технологии, признаваемые экономически эффективными.

Определенную уверенность в этом добавляет появление новых инструментов исследований. Хотели производить, а научились видеть. Тоже неплохо.

Атомно-силовая микроскопия

Оказалось, что кантилевер можно сделать настолько мягким, что он изгибался, дотронувшись до молекулы или атома. Тогда он годится для "тонкого" сканирования поверхности, когда касание к отдельной молекуле не приводит к её перемещению, хотя кантилевер изгибается.

За три года до того, как выложить название фирмы из молекул ксенона те же сотрудники швейцарского отделение IBM открыли новую эпоху в исследованиях, атомно-силовую микроскопию. Кантилевер, в данном случае, как правило, с алмазной пирамидкой-иглой даже не касается отдельных атомов или молекул.

На межатомных расстояниях (десятые и сотые доли нанометра) тел действуют силы отталкивания, а на больших расстояниях – силы притяжения. Игла кантилевера изгибается под действием этих сил. А уж распознать, где тут отталкивание, а где притяжение – дело уже математики.

Рельеф поверхности для атомно-силового микроскопа представляется сочетанием этих сил отталкивания и притяжения.

Чем ближе игла кантилевера к исследуемой поверхности, тем сильнее её атомы притягиваются к атомам образца. Но закономерность эта только до определенного расстояния, если пересекает определенную теорией границу примерно в 0,2 нанометра, она начинает не притягиваться, а отталкиваться. Вот этот переход от притягивания к отталкиванию и улавливает зонд, частью которого и работает кантилевер.

Силовыми зондовыми микроскопами современного исследователя не удивишь, они выпускаются многими фирмами мира Digital Instruments, Park Scientific Instruments, Omicron, Topometrix, Burleigh и другие. Уже и в России их производят компании Нанотехнология, МДТ, Концерн Наноиндустрия.

Между прочим, нельзя не отметить один важный факт. Именно наличие силовой зондовой микроскопии позволяет вести измерения в наномире. Появилась возможность удостовериться, является ли то, что мы получили, наночастицами.

Новый мир в одной клеточке

Речь пойдёт сейчас об одной клеточке из таблицы Менделеева, там где поместили элемент №6 – углерод. И без нанотехнологий он жил не в одиночестве. Вместе с ним в природе проживали алмаз и графит. В графите ещё можно было распознать уголь, который мягок настолько, что из него можно делать карандашные грифели.

А вот с алмазом (природным) пришлось помучиться. Как не жалко было, но только одновременное прокаливание в печи алмаза и рубина показало, что алмаз попросту форма кристаллического углерода. Обычный уголь, добываемый в шахтах и в карьерах, преимущественно, кристаллический тоже, но атомы углерода в нём расположены не так удачно, как в алмазе.

С тех пор, как в печи получали сажу из алмаза, прошло много времени. Было это в восемнадцатом веке, но почти двести лет эти три природных формы углерода, таких разных, не давали покоя физикам и химикам.

И только в 80-е годы ХХ века в Советском Союзе научились получать искусственные алмазы. Они были похожими на мелкие крупинки, почти на пыль, для ювелирных украшений они явно не годились, но прекрасно подходили для изготовления алмазных инструментов и покрытий.

За мелкий размер их называли вначале ультрадисперсными алмазами, а теперь они носят гордое название наноалмазов.

В СССР искусственные алмазы были изготовлены в 1960 г. в Институте физики высоких давлений АН СССР, руководимом Л. Ф. Верещагиным, а уже в 1961 г. в Киеве было налажено их промышленное производство.

Впрочем, наноалмазы – это всего лишь воспроизведение того, что уже умела делать природа. Учёные, разгадав, почему алмаз твердый, а графит мягкий, поставили задачу создания новых, отсутствующих в природе форм углерода.

И чего только не придумано ими. Начнем с красивых имен: фуллерены, графены, нанотрубки, карбины и астралены. Способы получения этих материалов относятся сейчас к нанотехнологиям.

Двухмерный фуллерен (графен) – это плёнка из соединённых между собой в правильные шестиугольники атомов углерода. У него высокие электропроводность, стабильность, прочность и гибкость. Первое свойство положило основу созданию нового типа электронных приборов.

Природные фуллерены были обнаружены в 1992 году в природном углеродном минерале шунгите.

Ещё раньше, в 1985 году в парах графита был обнаружен изотоп (аллотропная форма) углерода С₆₀. Его многоатомные молекулы углерода и были названы «фуллереном» в честь американского философа и архитектора Р.Б. Фуллера, который ранее разработал формы строительных конструкций, геометрически аналогичных форме фуллерена.

За технологию получения графена в 2010 году получили Нобелевскую премию россияне Константин Новоселов (родился в Нижнем Тагиле в 1974 году) и Андрей Гейм (родился в Сочи в 1958 году), уехавшие, к сожалению, работать в Великобританию и получившие премию уже как британские учёные. Вместе с тем очевидно, что основной запас знаний был вывезен ими из России.

Однослойная углеродная нанотрубка – это свёрнутый в трубку графен. Их в 1991 году открыл японский исследователь Сумио Ииджима. В поисках фуллеренов он изучал сажу, образующуюся на катоде, когда при электрическом разряде в атмосфере гелия распыляется графит.

Нанотрубки могут содержать несколько слоёв. Более того, однослойную нанотрубку, как оказалось, получить сложнее, чем многослойную. Именно С. Ииджима выявил, что добавление порошка кобальта, никеля или железа в электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. А в природе однослойные нанотрубки встречаются реже, чем многослойные.

С нанотрубками связан один из самых фантастических космических проектов современности. В одном из проектов американского агентства NASA предполагается забрасывание ракетой в космос тонкой полосы, сплетенной из нанотрубок шириной в 1 м и длиной 100 тыс. км.

Один конец такой ленты будет закреплен возле экватора, другой будет под действием центростремительной силы "торчать" в космосе. Получится космический лифт, который позволит резко удешевить выход в космос и непосредственно использовать космос как производственную площадку ².

Для реализации такого проекта нужно, в частности, научиться делать "правильные" и длинные нанотрубки. А сейчас даже многослойные трубки не всегда получаются правильными, в них содержатся вкрапления графита, потому они получили название "онионы", от английского "луковицы".

Для космического лифта они вряд ли подойдут, но практических применений у них уже много. Основное – отвод тепла от кремниевых микросхем. Кроме того, с их помощью можно делать комбинированные микросхемы, где часть печатных (ранее металлических) проводников выполняется из "онионов".

В общем, нанотрубки, даже не очень правильные, ведут себя как лиса, которая забралась в избушку зайца. Через какое-то время микросхемы будут сплетать из них, а кремний окажется не у дел.

Ещё одно направление, очень похожее, открылось в 2004 году, когда углеродную трубку удалось соединить с ДНК. Это направление исследований должно, в конце концов, привести к получению полностью искусственной ДНК.

От луковиц перейдем к шарикам. Только очень ленивый не видел футбольный мяч. Он состоит из лоскутов кожи, нарезанных шестиугольниками и пятиугольниками. Сочетание этих фигур позволяет сформировать шар.

Так происходит и с фуллеренами, ещё одной новой формой углерода. И если для футбольного мяча нужно нарезать лоскуты пятиугольниками и шестиугольниками, то для получения шарика фуллерена нужно подбирать сочетание изотопов углерода, одни из которых стремятся соединиться в шестиугольник, а другие – в пятиугольник.

Среди неорганических веществ таких сочетаний нет, из углерода такое собрать может человек. Но в живой природе аналоги есть. Поэтому с позиций кристаллографии фуллерен считается органической молекулой. Кроме того, что они практически полезны, это – мост между живым и неживым, между органикой и неорганикой.

Шарики фуллеренов могут быть вложены друг в друга как матрёшки. Может быть, кто-то из читателей видел произведения восточных умельцев, когда один шар вырезан внутри другого через отверстия в нём, а там ещё шар и так далее.

Так и с фуллеренами, в зависимости от количества вложенных друг в друга сфер изменяются и свойства этого материала. И теоретически, и экспериментально доказано, что устойчивые шарики фуллерена можно получить только когда число таких матрёшек не превышает 60.

Ещё одна углеродная диковина, которой, не будь нанотехнологий, интересовались бы несколько десятков узких специалистов – фуллерит. Если в исходном углероде очень высока доля С₆₀ , шарика-фуллерена не получится, поскольку не сойдётся количество шестиугольников и пятиугольников.

Получается кубик или форма, приближенная к кубику с плотностью, вдвое меньшей, чем у алмаза и меньшей, чем у графита. Он обладает особыми свойствами, отличаясь от природного угля. Так хранить его нужно только в темноте, поскольку на видимом свете он окисляется. Вследствие этого чистый фуллерит требует хранения в полной темноте.

Наконец, последний житель клеточки "углерод", о котором стоит рассказать, это – карбин, углеродная нить, цепь атомов углерода, соединенных двойными связями или попеременно тройной и одиночной связью.

Первоначально карбин был обнаружен в метеоритах, а затем астрономы увидели его в межзвездной пыли. Пока умеют выращивать не очень длинные нити карбина, в несколько десятков атомов, но прогресс идёт очень быстро.

И понятно, ведь карбин обещает быть самым прочным из известных людям материалов, вдвое прочнее графена и углеродных нанотрубок. Карбин может привести к новой революции в электронике. С его внедрением микросхемы будут не печатать, а вязать из карбиновых нитей.

Кроме того, видны перспективы использования карбина для получения устройств, которые закроют разрыв между конденсаторами и аккумуляторами электрической энергии, для новых компактных хранилищ водорода. Карбины вскоре будут жёстко конкурировать с углеродными нанотрубками.

---

¹ На русском языке она пока не опубликована, но издание 1996 года на русском языке доступно в Интернете.

² Шуленбург М.,Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня, Европейская Комиссия, Генеральный директорат по научным исследованиям, Брюссель, 2006, с. 4

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, ведущий научный сотрудник ИЭиОПП СО РАН, руководитель Торгово-промышленной палаты Новосибирска