Четыре раскрученных буквы

Ольга Рубан
1 ноября 2004, 00:00

Россия может включиться в мировой нанобум благодаря своей междисциплинарной научной традиции и пока еще живым школам в приборостроении и материаловедении

Термин "нанотехнология" ввели в широкий обиход американцы. Поначалу, на рубеже 80-х и 90-х, это было просто броское словцо, имевшее целью привлечь инвесторов к финансированию научных исследований в новой области. За несколько лет пиар-кампания распространилась далеко за пределы Америки: заниматься нанотехнологиями стало модно, престижно и, главное, денежно. Очередной этап развития НТП перерос в настоящий бум - эксперты исследовательской компании Lux Research подсчитали, что слово "нанотехнологии" упоминалось в популярной прессе в 1995 году 190 раз, в 2003-м - 7316, в этом году этот "счетчик", как ожидается, насчитает более 12 тыс. упоминаний. По словам наших ученых, чтобы сегодня наверняка получить грант от международных фондов, заявителю достаточно дважды упомянуть в названии проекта эти четыре раскрученных буквы "нано" - например, "наноуглеродные наноматериалы".

Наносмазка и нанооружие

В 2000 году Билл Клинтон анонсировал Национальную нанотехнологическую инициативу. С тех пор развитие нанотеха стало одним из государственных приоритетов США: с 2000 года американское правительство выделило на финансирование исследований в сфере нанотехнологий более 3,16 млрд долларов, в 2005-м финансовом году намерено направить на эти цели еще 982 млн. Европа изо всех сил старается не отстать - до 2006 года правительства стран Евросоюза планируют потратить на нанотехнологии 1,3 млрд евро, а в дальнейшем утроить бюджетные вложения в эту сферу.

Частный капитал пока вкладывается в нанотех менее активно. Венчурные фонды, к примеру, инвестировали в нанотехнологические компании в 2002 году 386 млн долларов, в 2003-м - 325 млн. Но картина постепенно меняется - наноматериалы и нанотехнологии перестают быть предметом чисто фундаментальных исследований, начинается их активное освоение реальным сектором. Согласно прогнозу Lux Research, в 2004 году правительства, корпорации и венчурные капиталисты всего мира потратят на нанотех более 8,6 млрд долларов, из них более 3,8 млрд будут вложениями частного сектора.

Формирующемуся рынку наноматериалов и наноустройств прочат быстрый рост. Сегодня его объем оценивается в 2,5 млрд евро, а к 2010 году, по прогнозу экспертов Еврокомиссии, он составит 100 млрд евро. К 2015-му прогнозы обещают уже триллион евро.

На что же рассчитывают инвесторы, ставя на темную пока еще лошадку? Прежде всего - на новые материалы. Именно в создание новых конструкционных нанокомпозитов с качественно новыми свойствами вкладывается сейчас до 80% средств, выделяемых на нанотехнологии. Самые популярные сегодня наноматериалы - нановолокна и нанотрубки - вытянутые цилиндрические образования из атомов углерода, некоторые разновидности которых обладают большей прочностью на разрыв, чем стальная проволока, и большей электропроводностью, чем медь. Нанотрубки могут использоваться в качестве автоэмиссионных катодов - источников электронов, которые, как предполагается, позволят сделать экраны телевизоров и дисплеев плоскими и тонкими. Из них также предлагается изготавливать покрытия для защиты от электромагнитного излучения компьютеров, мобильных телефонов и бытовой техники; силовые кабели; химические источники тока; канаты и тросы для подвесных мостов, которые будут легче и прочнее нынешних стальных; а также покрытия для самолетов и кораблей, делающие их незаметными для радаров.

На нанотехнологии делает ставку и электроника. Ведущие производители чипов рассчитывают за счет нанотехнологий преобразовать ныне использующуюся оптическую технологию изготовления интегральных микросхем так, чтобы элементы схем имели уже не микронные, а нанометровые размеры. Параллельно начинает развиваться принципиально новое направление электронной индустрии - наноэлектронные квантовые устройства различного назначения: компьютерные процессоры, устройства для хранения данных и др. Элементами их электронных схем будут специально сконструированные наноструктуры. Прототип такой квантовой памяти уже разработала фирма IBM. По данным компании, плотность записи у этого устройства оказалась в 20 раз выше, чем у традиционных, а энергопотребление в 50 раз ниже.

Медицина с помощью нанотехнологий начинает осваивать точечную терапию - особые наночастицы-носители будут доставлять необходимые препараты непосредственно к больным клеткам организма. Нечто подобное уже применяют косметологи - например, кремы компании L'Oreal содержат нанокапсулы, которые доставляют витамин А в глубокие слои кожи. Ученые заняты также разработкой нанопокрытий для имплантируемых тканей, препятствующих их отторжению. Еще два перспективных направления нанобиотеха - создание искусственных биологических тканей, например заменителей кожи (первые образцы такой "нанокожи" уже существуют), и разработка нанобиосенсоров, способных отслеживать нарушения в работе организма. С появлением последних основной задачей медицины станет не лечение, а предупреждение заболеваний. Нанотехнологии должны помочь также в расшифровке генетических кодов, что позволит сделать диагностику и лечение значительно более эффективными.

Кроме всего прочего, нанотехнологии открывают путь к созданию принципиально нового вида оружия - достаточно мощного и при этом "чистого". Такое нанооружие будет действовать по принципу вакуумной бомбы. Возможность создать такую бомбу обусловлена тем, что наночастицы вследствие огромной поверхностной энергии обладают гигантской химической активностью.

Последние два года все чаще появляются факты, свидетельствующие, что вложения в наноматериалы и нанотехнологии начинают давать отдачу. Так, например, японская компания NEC Corp. запатентовала нанорожки (разновидность углеродных нанотрубок) и использует их в производстве аккумуляторных батарей для портативных компьютеров и мобильных телефонов. Однослойные нанотрубки (ОНТ) пока не нашли широкого применения из-за своей высокой цены. Сейчас рынок ждет усовершенствования технологии производства этого наноматериала, и оно уже не за горами: год-два назад цена таких трубок превышала 1000 долларов за грамм, сейчас они стоят 500.800 долларов и, по прогнозу американской компании Carbon Nanotechnologies (лидера в производстве ОНТ), в скором времени могут подешеветь до 40 долларов за грамм. Когда это произойдет, рынок одних только плоских экранов телевизоров и дисплеев может достигнуть нескольких миллиардов долларов. Корпорация General Motors в этом году начала использовать в производстве своих автомобилей нанокомпозитные материалы - они позволили снизить вес авто на 7-10%. Американские медицинские центры уже применяют наносеребро для лечения ожогов, а компания Nanogate используeт нанотехнологии для изготовления особых покрытий для сантехники, не позволяющих въедаться грязи и ржавчине, и смазки для лыж, которая сама адаптируется к погодным условиям. Компания LSI Logic, производитель микрочипов, в этом году начала осваивать производство новых накопителей данных, созданных с использованием нанотехнологий.

Одну тонну на один нанометр

России тоже есть с чем поучаствовать в нанобуме. Правда, в отличие от США, Европы и Японии мы сегодня не в состоянии вести исследования сплошным фронтом, но отдельные наши разработки выглядят вполне достойно даже на фоне богатого урожая мировых нанотехнологических достижений.

Сильные позиции у России в первую очередь в сфере наноприборостроения: наши инженеры всегда умели конструировать простые и функциональные приборы на основе нестандартных идей и подходов. Поэтому сегодня мы вполне конкурентоспособны в области разработки наноинструментария - приборной базы, которая, собственно, и позволяет работать с нанообъектами.

Самый большой успех наших технократов на этом направлении - сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) зеленоградской компании NT-MDT, которая была создана выпускником МФТИ Виктором Быковым еще в 1989 году (см. "На острие атомной иглы" "Эксперт" N11 за 2001 г.). Зондовые микроскопы позволяют "общупать" объект, "увидев" при этом отдельные атомы и молекулы, а также определить некоторые его свойства. Эти приборы - основной инструмент ученых и исследователей, работающих с наноразмерными структурами.

Компания NT-MDT сама разрабатывает и изготавливает самый деликатный узел таких микроскопов - зонды (зондом может служить, например, металлическая игла, толщина острия которой - несколько атомов, или оптоволокно, которое заканчивается площадкой диаметром всего в 30 нанометров), а также "мозги" микроскопа - программное обеспечение, позволяющее управлять манипуляциями зонда и анализировать "снятую" им с объекта информацию. Один из последних продуктов компании - зондовая нанолаборатория Ntegra - несколько объединенных единым интерфейсом приборов разного назначения, которые в комплексе позволяют наиболее точно и полно исследовать структуру и свойства нанообъектов.

Микроскопы NT-MDT - пожалуй, единственный сегодня яркий коммерческий успех России на поле нанотехнологий. Зеленоградцы сумели прорваться на мировой рынок зондовой микроскопии и занимают там очень неплохие позиции. NT-MDT экспортирует свою продукцию в страны Евросоюза (где занимает около 14% рынка), в азиатские страны (9% рынка) и в Израиль (35% рынка). По данным на начало нынешнего года, в зарубежных научных центрах и исследовательских подразделениях крупных компаний работает уже около 400 приборов этой фирмы. Треть своих приборов компания NT-MDT реализует на российском рынке.

Еще одну выдающуюся разработку предлагает рынку компания "Нанотех". Это силовой нанопозиционер - устройство, позволяющее перемещать макрообъекты массой порядка тонны на нанорасстояния. Принцип действия устройства основан на явлении магнитострикции - образцы из сплавов редкоземельных металлов удлиняются под действием внешнего магнитного поля. В позиционере магнитное поле прикладывается к рабочему телу - стержню, изготовленному из терфенола D; стержень удлиняется и передвигает объект - например, режущий инструмент металлообрабатывающего станка. Позиционер имеет две ступени - грубую и точную. Грубая ступень перемещает объект на расстояние 1-2 м с точностью 2-3 мкм, точная - на 10-50 мкм с шагом 0,01 нм.

Авторы разработки предлагают использовать нанопозиционер, чтобы, например, автоматизировать технологию огранки алмазов, создать интерактивные тренажеры для микрохирургов или установку для расшифровки структуры сложных молекул. С такими устройствами возможно также появление нового поколения высокоточных станков для механообработки различных материалов. "Чтобы в будущем изготавливать наноустройства, например нанороботы, необходимо уметь передвигать рабочий инструмент на соответствующие расстояния с соответствующей точностью, - говорит профессор Вадим Раховский, автор разработки. - Использование таких технологий в оптике позволит создавать безаберрационные линзы, способные радикально улучшить качество фото- и видеотехники". Первые четыре позиционера были проданы Национальному бюро мер и весов Франции - держателю эталона метра. Емкость рынка этих устройств сегодня оценивается в 15.20 тыс. штук. Аналогов этой разработки в мире пока не существует.

Могут похвастаться наши инноваторы и технологиями производства самих наноструктур. В Институте физических проблем СО РАН разработали оригинальный метод получения полупроводниковых и металлических нанотрубок (победитель Конкурса русских инноваций-2004). Суть технологии, автор которой Виктор Принц получил в рамках нашего конкурса премию Фонда содействия, в следующем: на подложку напыляются тончайшие моноатомные пленки арсенида галлия, арсенида индия и арсенида алюминия. Арсенид алюминия затем вытравливается, и пленки арсенида галлия и арсенида индия сами, наподобие древесной стружки, сворачиваются в трубки. Таким образом сибирским ученым удалось решить, пожалуй, главную проблему производства нанотрубок - они научились делать их нужного размера (до сих пор нанотрубки при одном и том же способе производства, как правило, получаются разной длины, разной толщины и разного диаметра). С помощью такого метода можно сделать не только трубки, но и наноконусы, наноспирали и нанооболочки. Применяться они могут, например, в медицине: наноиглой, изготовленной из такой нанотрубки, можно проводить внутриклеточные инъекции, при этом клетка практически не травмируется. Можно изготавливать также проводящие волокна для наночипов, вшиваемых в ткань. Наиболее близки к выходу на рынок наношприцы, наноиглы, наноскальпели, нейрозонды, способные работать с отдельными клетками, а также зонды атомного силового и туннельного микроскопа и др.

Голограммы вместо масок

Вторая область, где российская научная школа исторически сильна - материаловедение. К примеру, в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) в подмосковном Троицке сконструировали из атомов углерода новый наноматериал - ультратвердый фуллерит, который, как утверждают разработчики, по твердости превосходит алмаз. "Если к обычной стали добавить три-пять процентов фуллерита, такой композитный материал будет процентов на двадцать легче и прочнее тех, которые используются сейчас. Он будет сочетать в себе высокие прочность и пластичность. А это означает, что можно делать принципиально новые летательные аппараты, новые инженерные конструкции и так далее", - говорит директор ТИСНУМ Владимир Бланк. Специалисты института готовы вести исследования по широкому кругу наноматериалов. В позапрошлом году ТИСНУМ представил в Минпромнауки бизнес-план проекта, который предусматривает разработку элементной базы для отечественной опто- и акустоэлектроники, лазерной и полупроводниковой техники на основе новых наноуглеродных материалов. Эксперты Минфина оценили ожидаемый коммерческий эффект от этого проекта в 6 млрд рублей в год.

Еще с одним любопытным наноматериалом работают в лаборатории углеродных материалов физфака МГУ. На его основе ученые разработали принципиально новый источник света. "Наши источники созданы на основе особого наноуглеродного материала, который под действием приложенного к нему напряжения испускает электроны. Электроны соударяются со слоем люминофора, вызывая его свечение", - объясняет ведущий научный сотрудник лаборатории Александр Образцов, автор разработки. Новые экономичные "наноисточники" могли бы стать дешевой альтернативой лампам-подсветкам жидкокристаллических экранов мониторов и дисплеев, значительно удешевив эти устройства. Это уже заинтересовало одну отечественную компанию, занимающуюся сборкой телевизоров и ЖК-дисплеев из импортных комплектующих. Чтобы начать производить новые лампы-подсветки в промышленном масштабе, понадобится вложить примерно 10 млн долларов.

Ученые Центра фотохимии РАН сконструировали из молекул органических красителей особые наноструктуры, которые излучают свет узкого спектрального диапазона, то есть дают чистый цвет. На основе этих наноструктур Институт электрохимии РАН создал принципиально новый гетерогенный нанокомпозитный материал. Из этого нового материала можно делать, например, светодиоды для нового поколения оптоволоконных систем передачи информации, а также для экранов телевизоров, дисплеев и т. п. Достоинством всех этих устройств будет способность излучать чистые цвета. Пока изготовлены только лабораторные образцы таких светодиодов. К промышленному производству они, по словам ученых, будут готовы через несколько лет.

В микроэлектронике, где Россия исторически отстает в целом, в отдельных узких нишах она сохраняет тем не менее лидирующие позиции. Так, например, нижегородский Институт физики микроструктур РАН активно участвует в программе Евросоюза по нанолитографии, цель которой - создать новое поколение литографов (установок для изготовления интегральных схем), работающих на длине волны 13,4 нм. В рамках этой программы в Нижнем Новгороде разрабатывают технологию изготовления многослойных отражающих излучение масок и многослойных зеркал для управления излучением. Такие маски и зеркала по сути - наноструктуры: они состоят из 40 слоев-нанопленок толщиной в несколько нанометров. "Мы сами разрабатываем и изготавливаем технологическое оборудование для напыления слоев-пленок, - говорит член-корреспондент РАН Сергей Гапонов, директор института. - Это позволяет нам удерживать в этой области передовые позиции в мире".

Есть у нас в области микроэлектроники и своя изюминка - Вадим Раховский, разработчик нанопозиционера, предлагает новый метод изготовления электронных чипов без использования масок. Сегодня цена комплекта масок для производства одной микросхемы составляет 3 млн долларов. Дальше будет еще дороже - чтобы уменьшить элементы своих чипов до наноразмеров, компании вынуждены существенно усложнять технологию производства масок. Профессор Раховский предлагает вместо маски использовать голограмму, сделать которую проще и дешевле. Чтобы получить изображение на подложке чипа, нужно осветить голограмму тем же коротковолновым излучением, каким сейчас освещают маску. При этом миниатюризация элементов схемы достигается за счет удаления голограммы от подложки - изображение будет тем меньше, чем дальше от подложки отодвинута голограмма. А вот точно соотнести голограмму с подложкой возможно при помощи наностола. Голограммы вместо масок позволят сразу перейти от микро- к наноэлектронике.

Эксперты считают, что Россия в состоянии включиться в мировой нанобум как полноценный участник. Дело не только в уже заявивших о себе нескольких успешных нанопроектах, хотя в число главных элементов национальной нанопрограммы, если она будет, они, конечно, должны быть включены. Нанотехнологии - очень подходящий для раскрутки "технобрэнд" именно в условиях России с ее традицией междисциплинарных школ. "Особенность нанотехнологий в том, что это междисциплинарная область. А междисциплинарная наука была широко и глубоко развита только в двух странах - в Америке и в СССР, - говорит Михаил Ковальчук, ученый секретарь Совета по науке и технологиям при президенте и директор Института кристаллографии РАН. - У нас есть все - и биология, и схемотехника, и твердотельные технологии (особенно материаловедение и приборостроение), и физика, и химия, и молекулярная биология. Эта база у нас не растрачена, не потеряна. Поэтому, на мой взгляд, мы имеем очень хорошие стартовые позиции и перспективы - Россия на этом поле может стать одним из наиболее серьезных игроков".

Десять в минус девятой метра

Наноматериалы и нанотехнологии - не самостоятельная область знаний и не вновь открытое явление, скорее, это очередной этап в развитии сразу целого ряда наук. К концу XX века физика, химия, биология и материаловедение в ходе естественного эволюционного развития перешли на наноуровень - стали изучать структуры размером в 10-9 метра. Активное освоение области наноразмеров началось во второй половине 80-х годов, когда были разработаны компьютерные программы, позволившие тонко и точно управлять кантилевером сканирующих зондовых микроскопов. Тем самым ученые получили в свое распоряжение инструментарий, который дал возможность не только наблюдать объекты столь малых размеров, но и манипулировать ими, "подцепляя" иголкой-кантилевером отдельные атомы и молекулы. "Ученый превращается, по сути, в инженера: перед ним стоит задача сконструировать сначала наночастицу, а затем из полученных наночастиц - макровещество, которое бы обладало желаемыми свойствами", - объясняет академик Михаил Алфимов, руководитель Центра фотохимии РАН.

В отличие от обычных материалов, которые состоят из относительно крупных конгломератов атомов или молекул размером в микроны или 10-6 метра (в металле, к примеру, такими структурными элементами являются зерна), наноматериалы состоят из "кирпичиков" в тысячи раз меньших размеров, так называемых наночастиц. В маленькой наночастице атомов или молекул гораздо меньше, чем в крупных конгломератах, поэтому химические связи между этими атомами или молекулами организуются совсем по-другому, нежели обычно. Еще одна характерная черта наночастиц - большое отношение площади поверхности к объему и, следовательно, огромная поверхностная энергия. Вследствие этих особенностей и сами наночастицы, и состоящие из них макроматериалы проявляют качества, совершенно не свойственные "традиционным" материалам, хотя атомы и молекулы и там и там одни и те же. У материалов, состоящих из наночастиц, могут резко отличаться, например, электро- и теплопроводность, прочность, жесткость, износостойкость, упругость и другие важные характеристики.