К.Ю.БОГДАНОВ,
лицей № 1586, г. Москва

kbogdanov1@yandex.ru

Что могут нанотехнологии

На наших глазах фантастика становится реальностью – люди научились перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Появилась целая отрасль науки – НАНОТЕХНОЛОГИЯ, – впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размером в нанометры. Нанотехнология – не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. О том, что может нанотехнология, рассказывается в этом научно-популярном обзоре.

В переводе с греческого nano означает карлик. Один нанометр – это одна миллиардная часть метра (10^–9 м). Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. Размер объектов, с которыми имеют дело нанотехнологи, лежит в диапазоне 0,1–100 нм. Большинство атомов имеют диаметр 0,1–0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр эритроцитов – 7000 нм, толщина человеческого волоса – 80 000 нм.

Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции

Самолёты, ракеты, телевизоры и компьютеры изменили окружающий мир в ХХ в. Учёные утверждают, что в наступившем XXI в. стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, сделанные с использованием нанотехнологий. Идея о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана Ричардом Фейнманом, лауреатом Нобелевской премии, в 1959 г. в речи «Там, внизу, полно места!», произнесённой в Калифорнийском технологическом институте (США). Слово «внизу» означало в «мире очень малых размеров». Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например в 2000 г., люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьёзно к исследованиям наномира. По его словам, человек очень долго жил, не замечая, что рядом целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. Ну а если мы не видим эти объекты, то не можем и работать с ними.

Тем не менее мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки – кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях – одни оказываются в ядре, другие – в цитоплазме, третьи – в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.

Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров. «Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает её развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастёт в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т.п. Рост числа элементов приведёт к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ». Позвав учёных в наномир, Фейнман сразу же предупредил о препятствиях, которые их там ожидают, на примере изготовления микроавтомобиля длиной всего 1 мм. Так как детали обычного автомобиля сделаны с точностью 10^–5 м, то детали микроавтомобиля следует изготовлять с точностью, в 4000 раз большей, т.е. 2,5 . 10^–9 м. Таким образом, размеры деталей микроавтомобиля должны соответствовать расчётным с точностью ±10 слоёв атомов.

Наномир не только полон препятствий и проблем. Нас в наномире ожидают и хорошие новости – все детали там оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса нанообъектов уменьшается пропорционально третьей степени размеров, а площадь поперечного сечения – пропорционально второй степени. Значит, механическая нагрузка на каждый элемент объекта – отношение веса элемента к площади его поперечного сечения – уменьшается пропорционально размерам объекта. Таким образом, пропорционально уменьшенный наностол обладает в миллиард раз более прочными наноножками, чем это необходимо.

Фейнман считал, что человек сможет легко освоить наномир, если создаст машину-робота, способного делать уменьшенную, но работоспособную копию самого себя. Пусть, например, мы научились делать робота, который может без нашего участия создавать свою уменьшенную в 4 раза копию. Тогда уже этот маленький робот сможет сделать копию первоначального, уменьшенную уже в 16 раз, и т.д. Очевидно, что 10-е поколение таких роботов будут создавать роботов, размеры которых будут в миллионы раз меньше первоначальных.

Художественная интерпретация концепции Р.Фейнмана: роботы умеют сами делать свои уменьшенные копии. И тогда человечество завоюет наномир

Конечно, по мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с необычными физическими явлениями. Ничтожный вес деталей наноробота приведёт к тому, что они будут прилипать друг к другу под действием сил межмолекулярного взаимодействия, и, например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания. Однако известные нам законы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами в принципе вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности её реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

Чтобы как-то стимулировать создание микрообъектов, Фейнман обещал заплатить 1000 долларов тому, кто соорудит микроэлектродвигатель размером 1/64 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). И совсем скоро такой микроэлектродвигатель был создан. С 1993 г. премия имени Фейнмана присуждается ежегодно за выдающиеся достижения в области нанотехнологий.

Ричард Фейнман предсказал появление нанотехнологий ещё в 1959 г., выступая с лекцией «Там, внизу, полно места!» в Калифорнийском технологическом институте. На фото слева Р. Фейнман рассматривает в микроскоп микроэлектродвигатель размером 380 мкм (см. на фото справа; вверху – головка булавки). [http://physicsweb.org/articles/world/14/2/8/1/pw1402081]

В своей лекции Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приёмы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приёмами «атомной сборки». При этом физики в принципе действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из написанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.

Машины созидания Эрика Дрекслера

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведённого американским учёным Эриком Дрекслером в начале 1980-х, и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии».

Эрик Дрекслер – автор книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии», первый классик нанотехнологий

Вот как начинается его книга: «Уголь и алмазы, песок и микросхемы компьютера, рак и здоровая ткань – на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешёвое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные по-другому, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные по-другому – образуют золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами. Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупы, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов. Но законы природы дают много возможностей для прогресса, и давление мировой конкуренции всегда толкает нас вперёд. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории ожидает нас впереди».

По определению Дрекслера, нанотехнология – «ожидаемая технология производства, ориентированная на дешёвое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой». Как считают многие специалисты, в течение следующих 50 лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча наномашин вполне смогут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. Чтобы собирать наномашины, необходимо:

– научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место;

– разработать сборщики – наноустройства, которые смогут работать с одиночными атомами по программам, написанным человеком, но без его участия. Так как каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то, по оценкам учёных, необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени;

– разработать репликаторы – устройства, которые бы изготовляли самих наносборщиков, т.к. их нужно будет очень и очень много.

Как войти в наномир?

Учёные и технологи уже давно стремятся в мир маленьких размеров, особенно те из них, которые разрабатывают новые электронные приборы и устройства. Чтобы электронное устройство было умным и надёжным, оно должно состоять из огромного числа блоков, а значит, содержать тысячи, а иногда и миллионы транзисторов.

Фотошаблон с рисунком интегральной схемы электронных часов. При освещении пучок света проходит через прозрачные участки (белые на фото) и засвечивает фоторезист

К изготовлению микросхем методом фотолитографии. Сначала делают фотошаблон, для чего на стеклянной пластине, покрытой тонкой непрозрачной плёнкой хрома, а сверху слоем фоторезиста, лазером делают рисунок микросхемы в очень большом масштабе, проявляют и получают негатив (на рисунке эти операции не показаны). Затем фотошаблон освещают параллельным УФ-пучком, который фокусируют линзой и получают крошечное изображение рисунка микросхемы на поверхности подложки, покрытой опять же фоторезистом. Последнюю операцию повторяют много раз, покрывая рисунком микросхемы всю поверхность подложки. Путём последующей обработки получают множество чипов – кусочков подложки с микро-схемой на каждом

При производстве микросхем применяется оптическая фотолитография. Суть её в следующем. Если на подложку (обычно это кремниевая или стеклянная пластина) нанести тонкий слой фоторезиста (полимерного светочувствительного материала) и лучом (например, лазера) сделать какой-нибудь рисунок, то засвеченные участки фоторезиста легко удаляются, обнажая под собой подложку. Теперь можно, например, напылить на всю пластину тончайшую плёнку металла, погрузить всё в проявитель и смыть остатки фоторезиста вместе с участками металлической плёнки сверху – на подложке останется наш рисунок, выполненный из металлической плёнки (например, «микропроводочки» – межсоединения). При изготовлении микросхем фотолитография используется по крайней мере дважды. Сначала изготавливают фотошаблон: негатив рисунка микросхемы в очень большом масштабе, обычно на стеклянной пластине. Затем с помощью этого фотошаблона рисунок микросхемы воспроизводится уже в миниатюре.

Транзистор был изобретён в 1947 г., тогда его размеры составляли около 1 см. Совершенствование фотолитографических методов позволило довести размер транзистора до 100 нм. Однако основой фотолитографии является геометрическая оптика, а значит, этим способом невозможно провести две параллельные прямые на расстоянии, меньшем длины волны. Поэтому сейчас при фотолитографии используют ультрафиолетовые пучки малой длины волны и даже электронные пучки.

Внедрение в мир наноразмеров, по которому шли изготовители микросхем до сих пор, можно назвать дорогой «сверху вниз». Они используют технологии, хорошо себя зарекомендовавшие в макромире, и лишь пытаются менять масштаб. Но есть и другой путь – «снизу вверх». А что, если заставить сами атомы и молекулы самоорганизовываться в упорядоченные группы и структуры размером в несколько нанометров?

Примерами такой самоорганизации молекул являются углеродные нанотрубки, квантовые точки, нанопроволоки и дендримеры (подробнее ниже).

Остриё микрозонда и принцип работы атомно-силового микроскопа

Как двигать атомы с помощью микроскопа

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы – атомно-силовой микроскоп и работающий по аналогичному принципу сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) была разработана Г.Биннигом и Г.Рорером, которым за эти исследования в 1986 г. была присуждена Нобелевская премия. Создание атомно-силового микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность наконец «пощупать и увидеть» нанообъекты. Основой служит микрозонд, обычно кремнивый – тонкая пластинка-консоль (кантилевер, 500  50  1 мкм) с остриём (высота 10 мкм, радиус закругления 1–10 нм), оканчивающийся совокупностью нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца остриё зонда поднимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, как патефонная игла на грампластинке. Над остриём расположена зеркальная площадка, на которую падает и отражается луч лазера. В соответствии с движениями острия отклоняется и луч, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой остриё притягивается к близлежащим атомам, – пьезодатчиком. Благодаря системе обратной связи обеспечивается постоянная сила взаимодействия микрозонда и поверхности образца. В результате строится объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность АСМ составляет примерно 0,1–1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

В другой группе сканирующих микроскопов для построения рельефа поверхности используется так называемый квантово-механический туннельный эффект. Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии менее 1  нм, зависит от расстояния: чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью приложено напряжение 10 В, то туннельный ток составляет 10 нА–10 пА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью., что позволяет строить объёмный профиль поверхности. В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп позволяет изучать только проводящие поверхности – металлов или полупроводников.

Игла сканирующего туннельного микроскопа поддерживается на постоянном расстоянии (указана стрелками) над слоями атомов исследуемой поверхности

Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и поверхностью образца сделать в несколько раз больше, чем надо для изучения этой поверхности, то ближайший к ней атом образца превращается в ион и «перескакивает» на иглу. После этого, слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом «спрыгнуть» обратно на поверхность образца. Таким образом можно манипулировать атомами и создавать на поверхности наноструктуры. Ещё в 1990 г. сотрудники IBM (США) показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей фирмы на никелевой пластинке.

Название фирмы, выложенное в сканирующем туннельном микроскопе из 35 атомов ксенона на никелевой пластинке в 1990 г.

С помощью туннельного микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет вызывать такую ориентацию этих молекул, когда их два углеводородных хвоста обращены от пластины. В результате можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине.

Кантилевер сканирующего туннельного микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области, обведённой белым на рисунке слева, под зондом кантилевера, на которой схематически изображены молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда

Продолжение см в № 2/08

_______________________

Рисунки (за исключением специально обозначенных) взяты из Scientific American, 2001, Sept.