Проникая в тайны наномира

Эти забавные рисунки сделаны с помощью отечественного
атомно-силового микроскопа на площади 2,5ґ2,5 мкм

Современная наука ставит и решает задачи, о которых пока не прочитать в самых смелых фантастических романах и рассказах. О них мало известно большинству читателей, следящих за научно-популярной литературой: некоторые научные направления развиваются настолько быстро, что новые знания, новые практические возможности и новые технологии появляются быстрее, чем произведения популяризаторов. Одним из таких бурно развивающихся научных направлений, которое до самого недавнего времени оставалось за рамками практических исследований, но поставившим на переломе веков задачи национального масштаба, стала нанотехнология.
30 мая 2001 г. в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева под руководством академика П.Д.Саркисова состоялся однодневный семинар, посвященный нанотехнологии. Об интересе к теме говорит то, что в работе семинара приняли участие заместитель министра науки, промышленности и технологии Г.Ф.Терещенко, академики Н.Т.Кузнецов, И.И.Моисеев, В.В.Осико, В.Я.Шевченко, известный немецкий ученый А.Мюллер из Билефельдского университета, многие профессора, преподаватели, научные работники, аспиранты и студенты.
Редакция обратилась к участнику семинара профессору Э.Г.Ракову с просьбой рассказать о нанотехнологии. В статье частично использованы материалы лекций, прочитанных студентам в 2000–2001 гг.

Наука начинается с определений

Нам знакомы такие понятия, как микроколичество (масса веществ, измеряемая микрограммами), микроанализ (анализ микроколичеств), микроэлектроника (упрощенно: электронные устройства с наименьшим размером отдельных деталей в микрометры или доли микрометров). Приставка «микро-» в числах означает миллионную долю.

Аналогичных терминов с приставкой «нано-» (миллиардная доля) нет, приставка чаще всего употребляется в числах. Однако если вспомнить, что размер отдельных несложных молекул определяется нанометрами, можно понять, какие объекты интересуют нанотехнологию.

Нанотехнология пересекается с различными научными и инженерными дисциплинами, единое ее определение дать трудно, и под ней понимают близкие, но все же отличающиеся области. Вот лишь некоторые определения:

– миниатюризация технологии: проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин, запрограммированных на выполнение определенных задач;
– искусство манипулирования материалами в атомном и молекулярном масштабах, особенно для создания микроскопических устройств (роботов);
– способность производить объекты и структуры буквально атом за атомом, подобно процессам в клетках живых организмов.

Встречается классификация нанотехнологии с выделением трех направлений: «мокрого», «сухого» и компьютерного.

Под «мокрой» нанотехнологией понимают изучение биологических систем, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток. Такие структуры нанометрового размера, как известно, возникли и развиваются в результате эволюции организмов.

«Сухая» нанотехнология берет начало от физической химии и науки о поверхностных явлениях, сосредоточена на получении структур из углерода (например, нанотрубки), кремния, различных металлов и вообще из неорганических материалов. Конечная ее цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию.

Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Для создания аналогов созданного природой за сотни миллионов лет требуется немалое время. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить этот период.

Многие специалисты под нанотехнологией понимают получение и использование материалов, частицы или слои которых измеряются несколькими нанометрами или десятками нанометров. При этом широко применяют такие термины, как наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты.

Возьму на себя смелость разделить нанотехнологию на два направления – технологию наноматериалов и молекулярную нанотехнологию – и коротко рассмотреть их по отдельности.

Технология наноматериалов

Химические и физические свойства чистых твердых веществ не зависят от их массы и размера частиц. Например, растворимость висмута в меди при комнатной температуре имеет одно значение. Температура плавления чистого железа имеет одно значение, температура фазового перехода чистого диоксида циркония из тетрагональной модификации в кубическую имеет одно значение, ширина запрещенной зоны чистого кремния имеет одно значение. Это же – мы твердо усвоили – касается многих других свойств веществ. Однако при переходе к наночастицам свойства меняются.

Давно известно уравнение Гиббса–Томсона, связывающее температуру плавления кристаллов с их размерами. Согласно этому уравнению, частички платины размером 50 нм должны плавиться не при 2045 К, а при температуре на 300 К более низкой. Температура плавления эвтектики TiC–ТiВ₂ при размере отдельных частиц 10 нм понижается по сравнению с температурой для обычной системы на 450 К. Можно привести и другие примеры. Переход к нанокристаллам приводит к увеличению теплоемкости палладия более чем в полтора раза, обусловливает возрастание растворимости висмута в меди в четыре тысячи раз, вызывает повышение коэффициента самодиффузии меди при комнатной температуре на 21 порядок (!). Такие хрупкие вещества, как ТiO₂ и СаF₂, в виде наночастиц становятся пластичными. Температура фазового перехода одной модификации в другую может не только измениться, но и превратиться в температурную область, где в равновесии сосуществуют две модификации.

Важно также то, что при уменьшении размеров до нанометровых меняются электронные свойства веществ, их магнитные характеристики. Становится иной физическая сущность многих процессов переноса. Так, у металлов переход к квантовым эффектам наблюдается при размере частиц 1–2 нм, у полупроводников – 50–100 нм. Это означает, что природа поставила предел на пути миниатюризации приборов современной микроэлектроники, что через 5–10 лет кремниевая электроника достигнет своей вершины и что, если ставить целью дальнейшую миниатюризацию электронных устройств, уже сейчас необходимо искать новые принципы их создания.

С чем же связаны такие резкие изменения фундаментальных свойств веществ? Ответ прост: в первую очередь – с изменением соотношения поверхностных и объемных атомов индивидуальных частиц. Поверхность самого идеального кристалла может считаться большим двумерным или даже объемным дефектом, поверхностные атомы в общем случае находятся на более близких расстояниях друг от друга, чем атомы в объеме кристаллической решетки, и обладают повышенным запасом энергии. До определенного размера частиц доля этих атомов мала, их вкладом в общие характеристики вещества можно пренебречь. У наночастиц свойства поверхностных атомов становятся определяющими. С этих позиций наночастицами предложено считать образования, содержащие не более 1000 атомов и имеющие размер не более 10 нм. Чаще за максимальный размер принимают 100 нм.

Инженеры давно обратили внимание на вещества с малыми размерами частиц. Известно, что они спекаются при более низких температурах, чем грубодисперсные, и в ряде случаев позволяют получать уникальные изделия — например, прозрачную керамику. Однако уникальные свойства этих веществ затрудняют их получение. Избыточная поверхностная энергия заставляет наночастицы слипаться друг с другом, агрегироваться. Кроме того, по образному выражению профессора С.П.Губина, для наночастиц нет инертной среды, они химически активны и при взаимодействии с другими веществами часто теряют свои уникальные свойства. Нужно немалое искусство химиков-синтетиков, чтобы получить и сохранить наноматериалы.

Этим искусством многие исследователи уже овладели, что и позволяет использовать одно из главных достоинств такого направления нанотехнологии, сформулированное Г.Ф.Терещенко так: возможность быстро, в один шаг, перейти от лабораторных исследований к массовому производству. Яркий пример – создание композита на полимерной основе с наполнителем из наночастиц серебра. При концентрации серебра всего в несколько десятитысячных долей процента композит проявляет необычно сильное бактерицидное действие.

Наночастицы чаще всего получают двумя основными путями: из газовой фазы (конденсация или химическое осаждение, процессы в пламени, плазме и др.) и коллоидно-химическим, в частности золь-гель (переведение раствора в коллоидное состояние и последующее отверждение). К наноматериалам относятся не только вещества из равноосных (длина, ширина и высота – одинаковые) частиц малого размера. Сюда включают проволоки и нити при их диаметре порядка нескольких или десятков нанометров, многослойные образования с такой же толщиной отдельных слоев; композиты, содержащие наполнители из наночастиц, нанопроволок, нанопластин.

Большую роль могут играть процессы самосборки структур по типу хорошо исследованных в коллоидной химии мицелл, где молекулы выстроены «голова к голове». Упорядочить расположение частиц можно с помощью пленок Ленгмюра–Блоджетт.

К характерным наноматериалам относятся фуллерены и углеродные нанотрубки. В самом ближайшем будущем мы будем смотреть телевизоры, висящие на стене: появятся устройства с плоским экраном, в которых эмиттерами (источник) электронов будут углеродные нанотрубки.

Молекулярная нанотехнология

Главная посылка, лежащая в основе молекулярной нанотехнологии, состоит в возможности синтезировать любое устойчивое химическое вещество. Задумать какую-нибудь молекулу, изобразить ее структуру, теоретически рассчитать ее устойчивость и затем искать пути синтеза, какими бы фантастичными они поначалу ни казались. Такую идею впервые высказал в 1959 г. известный физик Р.Фейнман: «Принципы физики, насколько я понимаю, не говорят о невозможности создавать вещи атом за атомом».

В 1981 г. в США была опубликована статья К.Э.Дрекслера, содержащая основы новой науки, в 1986 г. – его книга «Средства созидания. Грядущая эра нанотехнологии», ставшая первым пособием по этому направлению. Сейчас она доступна в Интернете.

Дрекслер ввел новые понятия, которые стали широко использоваться. В его понимании молекулярная технология — создание функциональных структур и устройств путем их сборки атом за атомом или молекула за молекулой с помощью программированных роботов (ассемблеры), способных к самовоспроизведению (репликация). По расчетам, ассемблер, снабженный молекулярным компьютером, может иметь массу не более 109 а.е.м. Сборка происходит в соответствии с законами химии, но эти законы в условиях «позиционного» синтеза (когда атом или молекула доставляется в нужное место) действуют иначе, чем при проведении химических реакций, а преодоление активационных барьеров – небывалое дело! – может происходить за счет механической энергии.

Разница с обычной химией все же огромна: сейчас синтетики смешивают вещества, рассчитывая, что при хаотичных столкновениях молекул между собой произойдут и нужные для получения целевого вещества «встречи». При получении сравнительно простых по структуре молекул расчет оправдывается. Но чем сложнее целевая структура, чем больше вариантов молекул с одинаковой устойчивостью, тем меньше выход целевой структуры. Попробуйте провести простейшую полимеризацию так, чтобы весь продукт состоял из молекул с одинаковой молекулярной массой. Не выйдет. При сборке атом за атомом все полимеры будут иметь одинаковую длину цепи, следовательно, и молекулярную массу.

Самовоспроизведение, похожее на процессы в биологических клетках с участием молекул ДНК, позволит резко сократить затраты энергии и материалов, а главное – сделать ассемблеры недорогими.

Почти одновременно с публикациями Дрекслера в начале 1980-х гг. сотрудники компании IBM Г.Бинниг и Г.Рорер изобрели сканирующий туннельный микроскоп, а в 1986 г. Бинниг с коллегами – атомно-силовой микроскоп. Появились возможности не только видеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. Нанотехнология обрела теорию и первичные средства воплощения идей.

Наибольший интерес первоначально вызывали различные органические вещества, в особенности продукты биосинтеза. Однако с открытием фуллеренов и затем углеродных нанотрубок многие исследования были переориентированы на них.

Молекулярная нанотехнология неразрывно связана с молекулярной электроникой — направлением, имеющим целью создание электронных устройств, прежде всего компьютера, на основе отдельных молекул. Такой компьютер будет обладать необычайно большим быстродействием (порядка терагерц, т. е. в миллиарды раз быстрее существующих) и нанометровыми размерами, что позволит сократить расход энергии и снизить стоимость. Уже созданы лабораторные образцы молекулярного диода, одноэлектронного молекулярного транзистора – главных элементов электронных схем; разработаны основы синтеза молекулярной солнечной батареи.

При этом был кардинально изменен основной технологический принцип: если сегодня интегральные схемы делают по принципу «от большего к меньшему» (начиная от цельных кремниевых дисков), то молекулярные устройства собирают, как автомашины на конвейере, по принципу «от меньшего к большему» (меньшее — отдельные атомы или молекулы).

Одним из этапов может быть создание наноэлектромеханических систем, включающих чувствительные элементы (сенсоры), компьютеры и исполнительные механизмы (актюаторы) нанометрового размера, выполненные на одном чипе.

Проведены расчеты сборки молекулярных зубчатых передач из нанотрубок с «зубьями» из привитых к боковым стенкам молекул бензола, молекулярного мотора из внутренней («вал») и внешней («муфта») нанотрубок.

Перспективы

Различные наноматериалы уже стремительно ворвались в нашу жизнь. Молекулярная нанотехнология, еще не вышедшая из стен лабораторий, широко заявит о себе через 10–20 лет, когда будут созданы молекулярные компьютеры, ассемблеры и репликаторы. Сначала, видимо, появятся различные наноэлектромеханические устройства для космических полетов и военных целей. Планируется, например, разработать «самолет» размером со стрекозу или муху для проведения радиационной, химической и иной разведки, для наблюдения за полем боя. Существенно изменятся средства поражения противника и защиты от поражения (но увеличится риск пострадать от вооруженных научными достижениями террористов).

Появятся совершенно новые средства диагностики и лечения заболеваний (полный анализ крови по одной небольшой капельке; миниатюрные механические устройства, перемещающиеся внутри организма, например, по кровеносным сосудам, распознающие больные ткани и доставляющие лекарства непосредственно к ним, не вызывая побочных эффектов).

Будут созданы средства полной автоматической очистки вредных выбросов с «разборкой» и утилизацией выбрасываемых компонентов.

Путем молекулярного синтеза удастся ликвидировать недостаток пищевых продуктов и обеспечить их высокое качество.

Развитие и удешевление компьютерной сети сделает образование доступным любому жителю Земли, где бы он ни находился.

Появление и развитие нанотехнологии — новая техническая революция. Чтобы осмыслить масштабы грядущих перемен и их значение для развития цивилизации, требуются усилия философов, социологов, психологов и других представителей гуманитарных наук. Но представляется, что у России, как и у всего человечества, нет выбора, развивать или не развивать нанотехнологию.

На трудном пути в Наномир предстоит еще очень и очень много сделать. И химики разных специальностей будут здесь среди самых востребованных работников. Химия – и ключевая наука, и связующее звено с другими отраслями знаний в таком междисциплинарном направлении, как нанотехнология.

Э.Г. Раков