Центров, способных трудиться на атомарном уровне, у нас единицы
От сантиметров к микронам, от микронов к нанометрам - таков логический маршрут науки, на котором, однако, встречается полно нелогичного
В стретившись с тульским косым Левшой, подковавшим аглицкую блоху на настоящие подковы, изумленный правитель Николай Павлович спросил его: "Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли изготовить сиё удивление?". В реакция услышал: "Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас так зрачок пристрелявши".
Николай Лесков вложил в уста своего героя непреложную истину, точь-в-точь описывающую российскую реальность и сегодня. Но ежели Левша и без "мелкоскопа" чудеса выделывал, для нанотехнологий необходимо высокотехнологичное оборудование. Сколь бы умными мы не были, атомы и молекулы более того, "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. баксов за патент) для российского нанотехнолога, превращающего научные планы в реальность, - что-то из области фантастики. Центров, способных трудиться на атомарном уровне, в нашей державе единицы, в США - сотни. Организаций, сознательно готовящих нанотехнологов, в РФ и отнюдь нет, а в Соединенных Штатах ещё в 2001 году была разработана национальная программа по нанотехнологиям, в которой большое роль придавалось подготовке специалистов. Эксперты констатируют сильное отставание России кроме того и в области наноэлектроники, которое, возможно, и удастся преодолеть, но только ценой гигантских усилий. Подобных тем, - те, что уже предпринимались в истории страны, когда она наращивала ядерную мощь.
"Сегодня для большинства людей нанотехнологии - таковая же абстракция, как и ядерные методики в 30−е годы прошлого века", - поделился в своем последнем ежегодном Послании Федеральному Собранию Президент России Владимир Путин. Дело в том, что нанотехнологиями называют в текущий момент капельку ли не все - только бы содержался хоть невеликий присущий им компонент. Страсти по этой теме совершенно объяснимы: где "нано" - там финансирование. "Если раньше нетрудно говорили "микро", то в настоящее время выгодно звать "нано", чтобы принять деньги", - говорит заведующий лабораторией физики и методике трехмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН Виктор Принц, ученый с мировым именем, под чьим руководством новосибирскими научными работниками создано целое ориентация - свежеиспеченные классы твердотельных наноструктур из полупроводников, диэлектриков, металлов, макеты наноприборов и новоиспеченные наноматериалы.
В то, что это возможно, верилось с трудом. Вся история развития нанотехнологий - это только воплощение научных фантазий в жизнь. Никто не питал доверие Нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману, предсказавшему в 1959 году, что люди научатся трудиться с отдельными атомами и молекулами и составлять из них сложные конструкции. Никто не доверял Эрику Дрекслеру, предложившему в 1986 году молекулярных роботов. Не питали доверие сибирским ученым, пытающимся от полупроводникового кристалла отделить молекулярный слой - пленочку крупный площади толщиной в несколько ангстрем (ангстрем - одна десятимиллиардная доля метра - Ред.). Им это удалось. Более того, они научились формировать из отсоединяемых пленочек трехмерные объекты: трубки, спирали, кольца, волокна, полусферы, периодические гофрированные структуры. Формы - самые разные, габариты - наименьшие. Созданная методика позволяет отсоединять слои толщиной пять ангстрем. Сегодня научные специалисты трудятся над технологией, - та, что позволит отслаивать пленку практически в один ангстрем. Меньше не бывает.
Об исследованиях в области нанотехнологий и перспективах развития этой отрасли в России рассказывает Виктор Принц.
- Виктор Яковлевич, что ни на есть основополагающий и, пожалуй, основополагающий вопрос: что такое нанотехнологии?
- Это область прикладной науки, контролирующая и преобразующая материю на атомном и молекулярном уровнях. Это поразительно прекрасный мир, где работают законы квантовой механики и не работают "обычные" законы макромира. Это создание, фабрика и употребление структур, приборов и систем с размерами нанометрового диапазона.
Если человечек научится править атомами и молекулами, то сделает все, что захочет. Любые фантазии, не противоречащие законам физики, станут реальностью. Переход к таким размерам открывает качественно свежие возможности на практике 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 лечебные вещества будут попадать исключительно в больные клетки.
- Нанометр - это сколько?
- Это одна миллиардная количество метра. На ней реально располагать примерно 10 атомов водорода. Освоение нанометровых габаритов уже позволило повысить плотность и быстродействие транзисторов: начальный транзистор, созданный в 1947 году, занимал квадратный сантиметр. Сегодня на этакий площади размещается без малого триллион транзисторов!
- Что нового разработано в вашей лаборатории?
- Первыми в мире мы предложили и спроектировали технологию, с помощью которой быть может создание трехмерных наноэлементов с предельно малыми размерами. Например, трубки с диаметром два нанометра, спирали с диаметром семь нанометров. Нам в первый раз удалось сформировать структуры сурово заданных размеров и жестко заданной формы из любых материалов (металлов, диэлектриков, полупроводников). Они служат элементами для изготовления наноустройств и наноматериалов. Причем в различие от плоских структур, трехмерные объекты больше 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 нарочно выращиваются структуры, состоящие из упруго сжатых и растянутых слоев. Мы впервой показали, что от полупроводниковых, диэлектрических и металлических кристаллов возможно 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 пленочках задаются разницей размеров ядерных решеток пленок, то есть самой природой. Минимальный радиус изгиба был равен одному нанометру.
В реальности оригинальная технология включает в себя весь комплекс методов и процессов, обеспечивающих высокую пунктуальность изготовления объектов. Это, раньше всего, методы направленного изгиба и сворачивания пленок, методы сборки и высокоселективного травления слоев и бездеформационной сушки сформированных структур. По сути, мы имеем занятие 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 нельзя сформировать какой-либо прочий известной технологией.
Сейчас разрабатывается алгоритм отсоединения слоев толщиной в один атом. Такие монослойные пленки углерода представляют собой новую двухмерную организацию с целым рядом уникальных свойств, что делает ее жутко перспективной для создания углеродной наноэлектроники и нанооптоэлектроники.
- Зачем сворачивать нанотрубки, закручивать наноспирали - как используются трехмерные наноструктуры?
- Очень ладный 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, потому мы смогли реализовать 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 пробираться 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 непочатый край идей. Сейчас думаем о том, как произвести наномоторчики для нанороботов, габарит которых был бы меньше размера кровяных телец.
- Для чего они нужны?
- Для адресной доставки лекарств, а ещё для нанохирургии. Самый острый в мире скальпель (атомно острый) мы уже изготовили.
- Что такое наноанемометр - другая ваша разработка?
- Анемометры - это датчики, которые измеряют прыть потоков газов. Принцип службы стандартного анемометра крайне простой: довольно 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 сотворили наноанемометр: заменили проволочку трубкой с тонкими нанометровыми стенками. В итоге инерционность такого анемометра серьезно меньше, он обладает быстродействием, почти в тысячу раз превышающим действо классических датчиков. Появилась вероятность регистрировать появление быстрых турбулентных течений и управлять ими.
- В вашей лаборатории создаются новые метаматериалы. Это также ваша новация?
- Идея о создании метаматериала 40 годков обратно была высказана советским научным специалистам 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, - то, что взаимодействует с электромагнитным излучением по другим законам.
- У метаматериалов нет аналога в природе?
- Свойства метаматериалов значительно отличаются от свойств природных материалов. Свет в них распространяется по совсем другим законам, у метаматериалов негативный коэффициент преломления. Если свершить из них обшивку и внутри поместить какой-нибудь объект, например, цельнометаллический цилиндр, то он будет невидим. Отрицательный коэффициент преломления, а также создание невидимости объектов, помещенных за метаматериалом, были продемонстрированы в 2006 году английскими и американскими научными специалистами 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 применять массивы из наших трехмерных наноструктур.
- Какие еще новинки в наши дни разрабатываются?
- Мы получили нанокомпозиционные материалы, представляющие собой полимер с периодически расположенными в нем наноспиралями. Такой материал способен быть применен для изготовления динамических поляризаторов терагерцового излучения лазера на свободных электронах. Совместная служба с Институтом ядерной физики СО РАН уже начата.
Разрабатываем оригинальную технологию изготовления графена - слоя углерода толщиной в один атом. Этот материал будет употребляться для изготовления газовых сенсоров чувствительностью в одну молекулу. То есть, графен, аналогично 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 солидные успехи получены лет семь-восемь назад, когда мы поняли, что сделали на самом деле новую нанотехнологию.
- Ваши исследования были отмечены какими-то премиями, наградами?
- Для нас наградой является международное признание нашего приоритета. В 2003 году Японское среда прикладной физики наградило нас за лучшую службу года. Ежегодно работникам лаборатории поступают приглашения совершить доклады на конференциях. На Международной конференции в Германии (в 2003 году) и на собрании Американского физического общества (в 2006 году) были созданы особые секции, посвященные нашей технологии. Эти секции мы раскрывали докладами. Первая наша статья 2000 года о нашей нанотехнологии уже имеет индекс цитирования более 100.
- Кто в данное время в России еще занимается нанотехнологиями?
- Первыми нанотехнологами можно полагать еще древних римлян, использовавших порошки при производстве металлов. Если же обусловить нанотехнологию на уровне создания устройств, объектов, материалов с принципиально новыми свойствами, то таких центров у нас два-три. Я не беру во чуткость организации, которые не решают ключевых задач. В России в настоящее время весьма немного групп, которые занимаются вправду нанотехнологиями, теми, которые провозгласил Фейнман, а не древние римляне.
- Почему их мало?
- Для того чтобы ими заниматься, надо высокотехнологичное оборудование. Порошок можно изготовить и разбивая что-то молотком, а вот изготовить транзистор и сложную интегральную методику с нанометровыми размерами никаким молотком не получится.
Допустим, какой-то технолог принял решение соорудить свежий нанообъект. Как он увидит атомы, как он увидит молекулы? Когда по телеку 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 активизировать заниматься нанотехнологиями ни в обычные века, ни даже в серединке прошлого века, в силу того что 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 данные 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 аналогичное оборудование есть, в этом мы имеем какое-то превосходство перед многими другими институтами. У нас есть установки молекулярной эпитаксии, электронной и ионной литографии, плазменного травления структур, а также особый остов для технологии.
Весь данный 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 родное время дерзновенный и даровитый физик и организатор профессор Сергей Стенин возглавил разработку советских установок. Но это не означает, что у нас есть все необходимое.
- Кроме оборудования, что еще надобно для развития нанотехнологий?
- Финансирование. Рубль, потраченный на исследования, требует вложения уже десяти на создание макетов, и ста - на запуск производства. Один только предприятие 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 - большие компании. У нас в то время как нет частных инвестиций в нанотехнологии, посему финансирование по сравнению с США в разы меньше. Соотношение - приблизительно один к ста.
- России не нагнать США?
- А не необходимо догонять. После выхода в 2001году национальной программы по нанотехнологиям в США японцы проанализировали свою наноотрасль. Поняв, что граждан сша 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 соображение многих ученых.
- Решение задачи 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 топать 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 хватать на себя ответственность и "вкалывать" с полной отдачей.
- Нужны финансы, оборудование и время. Все?
- Еще нужны десятки тысяч нанотехнологов - как самое малое количество около 20 тысяч. Но где они готовятся? Где их взять? Никто сей вопросный мотив не поднимает. Из университетов в лаборатории приходят одаренные люди, но чтобы любой из них стал настоящим специалистом, необходимо немалое время. Нанотехнолог должен быть и биологом, и химиком, и физиком одновременно. Он должен мочь действовать с высокотехнологичным дорогостоящим оборудованием и чувствовать технологию. Должен уметь созидать новоиспеченное и располагать большое терпение. Нанотехнологии - дело кропотливое.