Нанотехнологии

НАНОТЕХНОЛОГИИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

В России принято важное решение о развитии нанотехнологии (манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне), выполнение которого потребует титанических усилий от руководителей, исследователей, представителей промышленности и оборонного комплекса. Успехи на этом пути поднимут отечественную науку на качественно новый уровень, послужат укреплению национальной безопасности.

Становление нанотехнологий во многом повторяет историю зарождения химии. Со II до XVII в. существовала алхимия, связанная с мистикой, магией, большими деньгами, неоправданными надеждами, обилием шарлатанов. Ее целью было нахождение якобы дарующего бессмертие эликсира жизни и "философского камня", будто бы позволяющего превращать свинец в золото. Однако именно поиски первого чудодейственного средства выросли в органическую химию, а второго - в неорганическую.

Изучение преобразований веществ стало наукой благодаря англичанину Роберту Бойлю (1627 - 1691), который ввел в нее понятие элемента и количественные соотношения. Затем в начале XIX в. его соотечественник Джон Дальтон (1766 - 1844) заложил основы химической атомистики. Следующий этап развития этой области знаний начался с появлением математических моделей (в 1998 г. Нобелевской премии по химии впервые были удостоены математики - австриец Вальтер Кон за развитие функциональной теории плотности и британец Джон Попл за разработку компьютерных вычислительных методов квантовой химии). Сейчас, например, создание лекарств, выявление биологически активных веществ во многих случаях неотделимы от подобных расчетов, требующих сложных моделей, программных комплексов и суперкомпьютеров.

Что касается нанотехнологий, большую роль в ее возникновении как области исследований сыграла фантастическая мечта, сформулированная в 1959 г. выдающимся американским физиком, одним из основателей квантовой электродинамики Ричардом Фейнманом (нобелевский лауреат 1965 г.). Он предложил создавать машины, способные строить меньшие, которые, в свою очередь, будут делать еще более миниатюрные, и т.д. Иными словами, считал магистральным направление "сверху вниз": от макрообъектов к микро, а затем к нанообъектам (молекулам и атомам). Однако жизнь распорядилась иначе: появление в арсенале исследователей так называемого туннельного микроскопа (макрообъект), открывшего возможность видеть отдельные элементарные частицы, позволило оперировать сразу ими.

Причем идея формировать из элементарных частиц различные конструкции без использования представлений фундаментальной науки - в хорошем смысле тоже своеобразная алхимия наших дней - дает отдельные многообещающие результаты. Примерами могут служить разработки, выполненные в последние годы в Ярославском государственном университете им. П. Г. Демидова, - прототипы для промышленного внедрения: полевой транзистор, сверхтонкие палладиевые мембраны с поддерживающей системой для водородной энергетики, кремниевые фотоэлементы, наноструктурированные стекла, решетчатый поляризатор, метод защиты драгоценных камней маркерами 1*1мкм и пр.

Впрочем, главная надежда на данном пути связана с тем, что удастся двигаться, наоборот, "снизу вверх" - выращивать из элементарных частиц материалы, объекты. Однако собирать последние атом за атомом невозможно. Как же решить такую задачу? Прежде всего так организовать процесс, чтобы сами "нанокирпичики" строили нужные структуры (самоорганизовывались). Конечно, для реализации этого подхода нужны совместные усилия физиков, химиков, математиков, биологов, в частности, создание общего для них языка, понятий и моделей. Именно широкий междисциплинарный взгляд показывает горизонты поиска, а главное - предостерегает от опасностей. Вот почему первостепенное значение приобретает планирование перспективных изысканий, в которых технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы будут более взаимосвязанными, чем ныне.

Одна из важнейших особенностей наноструктур - возможность получать покрытия с невиданными ранее электрическими и магнитными свойствами. В частности, излучение в этих средах распространяется совсем иначе, чем в других. В основе исследований, приведших к таким выводам, лежит открытие нобелевского уровня, сделанное в 1967 г. доктором физико-математических наук Виктором Веселаго (Московский физико-технический институт), к сожалению, не замеченное почти 40 лет, а сейчас определяющее развитие большой области нанофизики. Суть его состоит в том, что из материала с отрицательными коэффициентами диэлектрической и магнитной проницаемости можно создавать системы для идеальной маскировки любых объектов (т.е. реализовать давнюю мечту человека о сказочной "шапке-невидимке"), а также изготавливать совершенные линзы и оптические приборы с уникальными характеристиками. Для претворения в жизнь этой идеи требуется внести в модифицируемый материал мельчайшие частицы, по размеру сравнимые с длиной световой волны.

На том же принципе базируются фотонные кристаллы - они позволяют маскировать предметы и эффективно управлять падающим излучением. Конечно, для проектирования подобной субстанции нужны уникальные компьютерные расчеты. Например, специалисты нашего Института определили, как в ней может распространяться волна, что потребовало создания принципиально новых математических моделей и алгоритмов, вычислений на многопроцессорных комплексах. Насколько нам известно, в других отечественных и зарубежных организациях аналогичных работ не проводили.

В нейронауке (или биовычислениях) - интереснейшем и важнейшем направлении на стыке медицины, биологии, компьютерных наук, психологии - надо идти не от простейших структур уровня атомов к сложным системам, а двигаться иначе. Вначале необходимо разобраться с организацией последних, понять, что мы хотим сконструировать и на каких принципах, потом для этого искать адекватный "строительный материал" на наноуровне. В США комплекс исследований, связанных с таким подходом, недавно проводили математики Джон фон Нейман (теория самовоспроизводящихся автоматов), Алан Тьюринг (вычислительная сложность) и Роджер Пенроуз (физические основы сознания). В Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, да и в России в целом отдельные энтузиасты также занимаются этими проблемами, в том числе ДНК-вычислениями, созданием генетических алгоритмов, клеточными автоматами, нейронными и иммунными сетями, конструированием на уровне ДНК, изучением математических свойств генетического кода, выявлением связи между его свойствами и процессом возникновения.

Из спектра работ, выполняемых нашим коллективом по рассматриваемой проблематике, отметим связанные с оптикой, магнитными структурами, наноструктурированием поверхностей материалов, плазменными источниками излучения для наноэлектроники, спинтроникой (новое направление в электронике, основанное на переносе информации не только движением зарядов, но и переориентацией спинов электронов). Специалисты Института проводят также вычисления для технологического расчета наноструктур, готовят бакалавров и магистров по специализации "Вычислительная физика и нанотехнология".

В настоящее время в России и за рубежом активно развивается синергетика, или теория самоорганизации (возникновения без внешнего воздействия упорядоченных структур и форм из случайных, нерегулируемых). Уже удалось получить значимые результаты, построить интересные модели. Однако они относятся к макромиру, соответствующие же механизмы на наномасштабах только начали изучать. Отсюда следует - необходимо ускорить темпы развития нанонауки; другая важная проблема, неразрывно с ней связанная, - образование. Так, наш Институт предпринимает попытки организовать подготовку соответствующих специалистов в МГУ им. М. В. Ломоносова и Московском физико-техническом институте. Кроме того, в последние годы усилиями московского издательства URSS увидела свет серия книг "Синергетика: от прошлого к будущему". По статистике, ежедневно в стране расходится более 60 выпусков. Однако это очень мало. А ведь реализация рассматриваемого амбициозного отечественного проекта невозможна без хорошо подготовленных кадров.

Более того. Чтобы не остаться лишь на бумаге, нанотехнологии должны найти свое место в экономике, включиться в существующие производственные циклы или создать новые. Следовательно, потребуется активный мониторинг и сопровождение таких новаций на всех этапах от лаборатории до рынка.

В нашем Институте осознают масштабность задач в рассматриваемой сфере и их огромное значение для России. Однако на этом пути нас ждет немало трудностей. Цикл воспроизводства инноваций состоит из фундаментальных, прикладных исследований, создания, вывода на рынок технологий, реализации товаров, услуг, появившихся возможностей (часть доходов от них вновь потребуется вложить в образование и разработки), причем некоторые его звенья еще предстоит создать. Кроме того, важно определить, какое место наша страна должна занять на мировом рынке нанотехнологий. Необходимо прежде всего очертить область и приоритеты их развития, создать соответствующий организационный ресурс, учесть региональный аспект исследований (например, в Томской, Московской, Калужской, Ярославской областях, Чувашии работают ученые, способные внести важный вклад в общее дело), наладить междисциплинарную кооперацию со специалистами макроуровня (чтобы создавать, скажем, нано- и биороботов, нужны знающие обычную робототехнику). А главное, надо форсировать развитие нанонауки, без которой не состоятся нанотехнологий.

Спин - собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.

Сканирующий туннельный микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп.


Схема прохождения света сквозь сферическую оболочку - "шапку-невидимку". В ее центре находится полость (обозначена оранжевым цветом), где должен быть спрятан маскируемый объект.

Образование связей между нейронами
Образование связей между нейронами.

пример самоорганизаци
Классический пример самоорганизации: в тонком слое подогреваемой жидкости возникает упорядоченная структура.


Доктор физико-математических наук Георгий МАЛИНЕЦКИЙ, заместитель директора Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD