Мир, идущий в наномир

Невидимая революция

Большинство людей, живущих на нашей планете, даже не представляют, что Земля становится нанопланетой. С ее размерами все останется в порядке. Но грядет глобальное пришествие нанотехнологий. Более 50 стран мира приняли национальные нанотехнологические программы.

Изобретенный в 1981 году туннельный микроскоп позволил не только вывести изображение одиночных атомов и молекул на экран компьютерного монитора, с его помощью оказалось возможным «дотронуться» до отдельного атома, а надавив на него суперостренькой иголочкой, и переместить его, куда вам заблагорассудится. Мечтатели, озабоченные будущим планеты, получили в руки первый нанотехнологический инструмент.

Сегодня часто можно услышать, что наилучшим выходом из нынешнего глобального кризиса было бы появление в экономике нового “паровоза” – новой ее технологической основы. Но очень мало кто понимает, что таким “паровозом” должны стать нанотехнологии и новая привязка всей нашей техники и образа жизни – к “наноизделиям”. Однако же, пока не становятся.

Об этом и идет речь в беседе с членом рабочей группы при Научном совете программы "Наноструктурные системы, наноматериалы, нанотехнологии" НАН Украины, заместителем генерального директора ННЦ ХФТИ по технологическим и опытно-конструкторским работам В. М. Шулаевым.

– Валерий Михайлович, почему о нанотехнологиях говорят, как о нашем будущем?

– Я приведу пример. Для того чтобы изготовить один (подчеркиваю – один!) микропроцессор, необходимо сжечь 240 кг ископаемых энергоносителей, истратить 22 кг различных химических веществ и 1500 л воды. А на производство одного маленького ключа шины USB расходуется 250 л воды и множество химических веществ, преимущественно синтетических и, как правило, загрязняющих среду обитания.

В эти цифры трудно поверить. Однако поверить придется, если пройти всю технологическую цепочку производства микропроцессоров от получения сверхчистого кремния, выращивания из него монокристаллов, последующей их разрезки на пластины, а также создание все более мелких и мелких деталей на поверхности кремниевой пластины, которые формируются с помощью сложных макро- и микроинструментов, огромного количества химикалий, шаблонов и т.п. Для проведения большинства технологических операций требуется сверхчистые помещения, очень сложное и прецизионное технологическое оборудование, кроме того, большое количество сверхточных приборов и инструментов для проведения пооперационного контроля. Сам же технологический процесс использует «нисходящий» подход или подход «сверху вниз» (top down). При этом подходе большой исходный монокристалл сверхчистого кремния разбивается на все более мелкие фрагменты. Этот подход напоминает работу великого скульптора Микеланджело Буонарроти. Шедевр создавался им за счет отсечения от глыбы мрамора всего лишнего.

Современные микротехнологи действуют аналогично. Например, электрические схемы на кремниевой пластине создаются за счет отсечения всего лишнего с постепенным созданием нужной структуры. Все микропроцессоры современных компьютеров создаются на основе именно этого «нисходящего» подхода. Это очень расточительный подход, планета такого расточительства просто не выдержит. А ведь такой подход практикуется не только в микроэлектронике, он практикуется всюду, столь любимый нами “средний человек” другого подхода просто не знает.

– А может быть какой-то другой подход?

– Другой подход предлагают нанотехнологи. Этот подход получил название «восходящего», или подхода «снизу вверх» (bottom up). В этом случае атомы и молекулы самостоятельно собираются (самосборка) в соответствующие наноструктуры под действием химических и каталитических реакций в процессе самоорганизации без прямого вмешательства инженеров и ученых. Роль человека сводится к тому, что он должен создать подходящие условия, некое, – если можно так выразиться, – внешнее поле, направляющее процесс самосборки. Это предельно экономичный процесс, более экономичного в принципе быть не может. Мне приходит на ум повесть братьев Стругацких “Улитка на склоне”. Помните тамошних “управительниц”? Что у них было высшим уровнем взаимоотношений с окружающим миром? Умение им управлять. Управление на уровне атомов и молекул – это и есть высший пилотаж в искусстве управления материей. И мы к нему подошли вплотную и даже кое-где вступили на эту территорию.

И все же пока нанотехнологи только мечтают, чтобы в будущем все микропроцессоры и другие электронные приборы собирались именно таким образом. В таком случае достаточно мощные нанокомпьютеры смогут уместиться на «блошиной подкове». Это лишь один пример перехода от затратной и экологически вредной микроэлектроники к миру нанокомпьютеров. Таких примеров на сегодняшний день в различных отраслях нанонауки пруд пруди. Поток наноновостей идет такой, что его частности даже не имеет смысла обсуждать – они очень быстро устаревают.

– Да, и я вижу этот поток в интернете и даже не пытаюсь подробно его отслеживать. Но в магазинах его нет.

– Дело в том, что развитие нанотехнологий столкнулось с определенными методологическими трудностями. Я думаю, на Земле по сей день можно найти места, населенные столь дикими племенами, что, если им продемонстрировать и подарить мобильный телефон, то они, может быть, и попользуются им некоторое время, но потом (аккумуляторы-то сядут) все же построят для него храм и станут поклоняться, как божеству.

Единичное инновационное изделие сделать гораздо легче, чем продвинуть его на рынок. Паровоз появился в Англии и в Европе и стал паровозом экономики гораздо раньше, чем в России. Почему? С одной стороны, Ползунов гордился тем, что в его паровой машине между поршнем и цилиндром “палец не пролазит”, – т.е. потому что русское общество было традиционно технологически отсталым, – а с другой… русские крестьяне боялись железной дороги и считали ее порождением дьявола, да и русские дворяне недалеко от них ушли: чтобы они смогли ее оценить, ее надо было построить вживую и “покатать” их! Одной головы им было мало! И все же, в конце концов и в России нашлись дальновидные (да и эта “дальновидность” условна, по-настоящему дальновидной была Европа) деловые люди, которые стали вкладывать в это дело деньги…

Советская наука “питалась” бюджетными деньгами, той их частью, которой по воле государства распоряжались военные. И в ней существовал термин – “генеральский эффект”. Он означал, что для успеха испытаний или какой-то иной демонстрации окончательного результата в этом должно быть что-то такое, что произведет должное впечатление на подписывающую приемный акт комиссию, пусть даже оно и не имеет прямого отношения к сути дела. Если, фигурально выражаясь, у товара скромное лицо, его надо разрисовать. А у “нанотоваров” лицо не просто скромное, оно невидимое. И “разрисовать” его невозможно. “Где в вашей стиральной машине наносеребро? Покажите!” – настаивает покупатель. А показать нечего – оно невидимо.

Есть, конечно, и объективные причины для существования гигантского разрыва между возможностями нанотехнологий и их восприятием обществом. Например, заметим, что практическая реализация многих интереснейших сфер применений нанотехнологий настоятельно требует от ученых и инженеров создания так называемых интерфейсов. Это переходные структуры, соединяющие наноматериалы или нанообъекты с микроскопическими устройствами или биологическими тканями. Обеспечение требуемого контакта в таких соединениях оказалось очень непростой научно-технической задачей.

Сейчас будущее нанотехнологий обеспечивается талантом и энергией людей, уже работающих в этой области и заложивших основы как самой нанонауки, так и ее частных приложений. Практические исследования на уровне отдельных атомов и молекул приведут к серьезным изменениям в жизни человечества. К настоящему времени уже накопилась та «критическая масса» знаний в сфере нанонауки, практическое освоение которой в ближайшие 10-15 лет приведет к изменению жизни людей и общества значительно сильнее, чем современные персональные компьютеры и биотехнологии, или освоение электричества.

Беседовал Валерий Тырнов