Нанотехнологии – клондайк или панацея?
11 октября 2007. Разместил: farfengugen
Не мудрствуя лукаво, попробуем выяснить для начала, что означает термин «технология». Wikipedia дает следующее определение: «В широком смысле - объём знаний, которые можно использовать для производства товаров и услуг из экономических ресурсов. В узком смысле - способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления. Технология включает в себя методы, приемы, режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инструментами, используемыми материалами». Грамота.ру также дает еще одно значение слова «технология»: «Научная дисциплина, изучающая способы переработки материалов, изготовление изделий и процессы, сопровождающие эти виды работы. // Учебный предмет, содержащий теоретические основы данной науки».
Очевидно, что приставка «нано» определяет диапазон применения нанотехнологии – нанометровые (1 нм = 10-9 м) масштабы, в то время как привычная нам микроэлектроника до совсем недавних пор работала с микрометровыми (1 мкм = 10-6 м) объектами, лишь сравнительно недавно преодолев сначала барьер в 1 мкм, а потом в 100 нм (0,1 мкм).
В обывательском смысле термины «наука» и «технология» не являются тождественными. Можно сказать, что технология является продуктом науки, результатом некоторой научно-исследовательской работы по созданию «способа обработки и производства». Например, если нам нужно разрезать мясо, мы берем нож, точим его и приступаем к делу. При этом мы не задумываемся о том, что наш кухонный нож из нержавеющей стали является плодом чьего-то научного изыскания, а точило – результат обобщения практического опыта многих поколений предков. Возможно, что в будущем, когда нанотехнологии будут столь же обычным делом, то у нас на кухне будет самозатачивающийся нож из наноструктурированного композита, который в случае пореза будет еще и выделять вещества, способствующие затягиванию ранок. А на вооружении военных – ножи, которые, наоборот, будут наносить труднозаживающие ранения. Да-да, ведь, как известно, что бы ученые ни придумали, в конце концов получается оружие.
Но это – пока что вымысел, возможная цель для научно-технической разработки. Сегодняшняя нанотехнология не просто идет рука об руку с соответствующими научными дисциплинами, применительно к которым на Западе даже придумали название «нанонауки» (nanoscience), а попросту не существует вне рамок научно-исследовательской деятельности. Хотя, конечно, отдельные разработки уже воплощены в производство – например, покрытие из наночастиц серебра. Правда, вопрос о более высокой антибактериальной эффективности такого покрытия остается открытым, возможно, это всего лишь маркетинговый ход: благодаря медийной истерии вокруг нанотехнологий всё, что имеет приставку «нано», продается лучше «обычных» аналогов.
Поэтому возникает вполне резонный вопрос – насколько велик эффект от использования нанотехнологий? Если верить российским военным, недавно испытавшим новый боеприпас объемной детонации, то взрывчатка, произведенная с помощью нанотехнологий, в четыре раза эффективнее обычного тротила. Но опять-таки, возможно, что дело вовсе не в нанотехнологиях, а в использовании новой формулы взрывчатого вещества, а термин «нанотехнологии» был применен в порядке «невыделения» из общего PR-безумия, где приставка «нано» служит лакмусовой бумажкой качества разработки. С другой стороны, еще в позапрошлом веке химиками было установлено, что физико-химические свойства веществ зависят не только от (количественного) элементного его состава, но и от его структуры. Например, два разных по своим свойствам вещества, пропаналь (CH3CH2CHO) и ацетон ((CH3)2CO) имеют одинаковый элементный состав (C3H6O), и таких примеров можно привести множество. Кроме этой структуры важную роль играет геометрия – то, как расположены атомы относительно друг друга. Известно, что молекулы одного и того же вещества с различной геометрической формой, называемой конформацией, обладают разными свойствами, при этом такие конформации, отличаясь друг от друга потенциальной энергией, могут быть довольно устойчивыми вследствие высоты разделяющего их потенциального барьера. Поэтому легко себе представить, что молекулы сложных азотсодержащих веществ в определенных конформациях при окислении выделяют больше энергии, чем их аналоги, обладающие иным строением. В этом смысле употребление термина «нанотехнология» для таких веществ вполне оправданно, так как размеры их молекул могут, в принципе, достигать нескольких нанометров.
И всё-таки началом зарождения нанотехнологий следует считать 1970-е годы, когда технология производства полупроводниковых микросхем умела работать лишь с объектами размером 2-8 мкм. В 1971 году в Японии была высказана гипотеза о существовании нового типа аллотропов углерода – фуллеренов. В 1973 году в Советском Союзе был проведен квантово-механический расчет и доказана стабильность С60 (Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г.). А в 1985-ом в масс-спектрах сажи, образующейся при дуговом разряде между углеродными электродами, были обнаружены пики, соответствующие 720 и 840 атомным единицам массы, отнесенные к С60 и С70, соответственно.
Это открытие взбудоражило ученых. Перед ними открывался новый горизонт научной работы – материалы, состоящие из совершенно обычного вещества, но, благодаря своей наноструктуре, обладающие принципиально новыми свойствами. Фуллереновые кристаллы демонстрируют свойства полупроводников, легированные металлами – свойства проводников, становящимися сверхпроводниками при гелиевых температурах. Сегодня наиболее перспективным направлением исследований потенциальных применений донорно-акцепторных соединений фуллеренов является создание недорогих и эффективных солнечных батарей, а фуллеренов с внедренными во внутреннюю полую оболочку атомов хрома или железа – как элементной базы перспективных магнитных накопителей.
Кроме «классического» или бакминстер-фуллерена С60 впоследствии были теоретически предсказаны и обнаружены фуллерены с бОльшим количеством атомов, а также иные аллотропы углерода – нанотрубки и графен. Причем упоминания об одномерных наноскопических структурах углерода, которые с открытием Ииджимы (NEC) в 1991 году стали называть нанотрубками, вообще говоря, приводились учеными и ранее, в 1950-х годах, в том числе и в СССР, но до открытия фуллеренов всерьез не воспринимались.
Такое многообразие структур соединения одного-единственного элемента не могло не породить вопросов и по поводу других. Кроме уже упоминавшихся наночастиц серебра, ученым удалось обнаружить устойчивые наночастицы золота и других металлов. Однако, углеродные наночастицы (фуллерены) и нанотрубки занимают главенствующее место среди приоритетных направлений исследований по той простой причине, что исходный материал – углерод - очень дешев. А это значит, что углеродная нанотехнология позволяет создать колоссальную надбавленную стоимость, и это сулит огромные прибыли. Именно поэтому все развитые и не очень страны так или иначе стремятся первыми создать свои нанотехнологии, чтобы в будущем захватить как можно большую долю рынка. Эту «нанотехнологическую лихорадку» можно сравнить с «золотой лихорадкой», охватившей в свое время американский Клондайк. Как все, наверное, помнят, золота в Клондайке оказалось совсем не так много, как того ожидали золотоискатели и результатом «золотой лихорадки» стало множество искалеченных судеб.
Сегодня мировое сообщество находится в стадии определенной эйфории, чем, по-видимому, и объясняется наплыв восторженных публикаций о нанотехнологиях – вроде бы, что-то уже получается, и все уже ждут того, что завтра-послезавтра с помощью нанотехнологий удастся решить все проблемы человечества, в том числе победить рак и СПИД. Но природа всегда хитрее, а правда жизни такова, что ученых ждет трудная, кропотливая и дорогостоящая работа, результат которой отнюдь не очевиден. Панацеи от всех болезней и проблем еще не удавалось изобрести никому, хотя, скорее всего, ряд интересных задач решить наверняка удастся.
Одной из таких задач является создание квантового компьютера. Напомним, что квантовый компьютер оперирует с кубитами, принимающими дискретное квантовое состояние, соответствующее «0» и «1». Однако прелесть работы с кубитами заключается в удивительном свойстве квантовой суперпозиции – «смешивании» нескольких состояний «0» и «1» в одном кубите, проявляющемся в том, что кубит с определенной вероятностью Р находится в состоянии «1» и с вероятностью 1-Р - в состоянии «0». При этом все операции над кубитом модифицируют одновременно обе эти вероятности таким образом, как если бы действия производились над всеми «находящимися» там «1» и «0».
В сентябрьском номере журнала Nature опубликованы результаты двух работ: ученых из Национального Института Стандартов и Технологий США (NIST) и Йельского университета. В обоих случаях используются квантовые точки – наноскопические объекты, содержащие сотни-тысячи атомов в когерентном состоянии, в связи с чем иногда еще называемые «искусственными атомами».
Ученым NIST удалось передать информацию от одного кубита – квантовой точки - к другой, с использованием фотона. Свое изобретение исследователи окрестили «квантовой шиной» - очевидно, намекая, что его можно будет использовать для связи кубитов внутри квантового чипа.
Данное сообщение, выбранное мною в качестве примера (так как наш ресурс, всё-таки, в первую очередь – компьютерный), также иллюстрирует, насколько трудно идет прогресс в области нанотехнологий. Вопрос о том, насколько экономически эффективными будут инвестиции в эту отрасль, остается открытым.
В будущих публикациях мы попробуем раскрыть подробнее тему перспектив наноэлектроники – помимо традиционной, кремниевой, вполне вероятно (но вовсе не обязательно) наступление «углеродной эры». Корпорация NEC, единственная, обладающая правами на коммерческое использование нанотрубок, обещала в свое время выпустить на рынок первую микросхему на углеродных нанотрубках в 2010 году. Так что ждать нам осталось совсем немного.
Очевидно, что приставка «нано» определяет диапазон применения нанотехнологии – нанометровые (1 нм = 10-9 м) масштабы, в то время как привычная нам микроэлектроника до совсем недавних пор работала с микрометровыми (1 мкм = 10-6 м) объектами, лишь сравнительно недавно преодолев сначала барьер в 1 мкм, а потом в 100 нм (0,1 мкм).
В обывательском смысле термины «наука» и «технология» не являются тождественными. Можно сказать, что технология является продуктом науки, результатом некоторой научно-исследовательской работы по созданию «способа обработки и производства». Например, если нам нужно разрезать мясо, мы берем нож, точим его и приступаем к делу. При этом мы не задумываемся о том, что наш кухонный нож из нержавеющей стали является плодом чьего-то научного изыскания, а точило – результат обобщения практического опыта многих поколений предков. Возможно, что в будущем, когда нанотехнологии будут столь же обычным делом, то у нас на кухне будет самозатачивающийся нож из наноструктурированного композита, который в случае пореза будет еще и выделять вещества, способствующие затягиванию ранок. А на вооружении военных – ножи, которые, наоборот, будут наносить труднозаживающие ранения. Да-да, ведь, как известно, что бы ученые ни придумали, в конце концов получается оружие.
Но это – пока что вымысел, возможная цель для научно-технической разработки. Сегодняшняя нанотехнология не просто идет рука об руку с соответствующими научными дисциплинами, применительно к которым на Западе даже придумали название «нанонауки» (nanoscience), а попросту не существует вне рамок научно-исследовательской деятельности. Хотя, конечно, отдельные разработки уже воплощены в производство – например, покрытие из наночастиц серебра. Правда, вопрос о более высокой антибактериальной эффективности такого покрытия остается открытым, возможно, это всего лишь маркетинговый ход: благодаря медийной истерии вокруг нанотехнологий всё, что имеет приставку «нано», продается лучше «обычных» аналогов.
Поэтому возникает вполне резонный вопрос – насколько велик эффект от использования нанотехнологий? Если верить российским военным, недавно испытавшим новый боеприпас объемной детонации, то взрывчатка, произведенная с помощью нанотехнологий, в четыре раза эффективнее обычного тротила. Но опять-таки, возможно, что дело вовсе не в нанотехнологиях, а в использовании новой формулы взрывчатого вещества, а термин «нанотехнологии» был применен в порядке «невыделения» из общего PR-безумия, где приставка «нано» служит лакмусовой бумажкой качества разработки. С другой стороны, еще в позапрошлом веке химиками было установлено, что физико-химические свойства веществ зависят не только от (количественного) элементного его состава, но и от его структуры. Например, два разных по своим свойствам вещества, пропаналь (CH3CH2CHO) и ацетон ((CH3)2CO) имеют одинаковый элементный состав (C3H6O), и таких примеров можно привести множество. Кроме этой структуры важную роль играет геометрия – то, как расположены атомы относительно друг друга. Известно, что молекулы одного и того же вещества с различной геометрической формой, называемой конформацией, обладают разными свойствами, при этом такие конформации, отличаясь друг от друга потенциальной энергией, могут быть довольно устойчивыми вследствие высоты разделяющего их потенциального барьера. Поэтому легко себе представить, что молекулы сложных азотсодержащих веществ в определенных конформациях при окислении выделяют больше энергии, чем их аналоги, обладающие иным строением. В этом смысле употребление термина «нанотехнология» для таких веществ вполне оправданно, так как размеры их молекул могут, в принципе, достигать нескольких нанометров.
И всё-таки началом зарождения нанотехнологий следует считать 1970-е годы, когда технология производства полупроводниковых микросхем умела работать лишь с объектами размером 2-8 мкм. В 1971 году в Японии была высказана гипотеза о существовании нового типа аллотропов углерода – фуллеренов. В 1973 году в Советском Союзе был проведен квантово-механический расчет и доказана стабильность С60 (Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г.). А в 1985-ом в масс-спектрах сажи, образующейся при дуговом разряде между углеродными электродами, были обнаружены пики, соответствующие 720 и 840 атомным единицам массы, отнесенные к С60 и С70, соответственно.
Это открытие взбудоражило ученых. Перед ними открывался новый горизонт научной работы – материалы, состоящие из совершенно обычного вещества, но, благодаря своей наноструктуре, обладающие принципиально новыми свойствами. Фуллереновые кристаллы демонстрируют свойства полупроводников, легированные металлами – свойства проводников, становящимися сверхпроводниками при гелиевых температурах. Сегодня наиболее перспективным направлением исследований потенциальных применений донорно-акцепторных соединений фуллеренов является создание недорогих и эффективных солнечных батарей, а фуллеренов с внедренными во внутреннюю полую оболочку атомов хрома или железа – как элементной базы перспективных магнитных накопителей.
Кроме «классического» или бакминстер-фуллерена С60 впоследствии были теоретически предсказаны и обнаружены фуллерены с бОльшим количеством атомов, а также иные аллотропы углерода – нанотрубки и графен. Причем упоминания об одномерных наноскопических структурах углерода, которые с открытием Ииджимы (NEC) в 1991 году стали называть нанотрубками, вообще говоря, приводились учеными и ранее, в 1950-х годах, в том числе и в СССР, но до открытия фуллеренов всерьез не воспринимались.
Такое многообразие структур соединения одного-единственного элемента не могло не породить вопросов и по поводу других. Кроме уже упоминавшихся наночастиц серебра, ученым удалось обнаружить устойчивые наночастицы золота и других металлов. Однако, углеродные наночастицы (фуллерены) и нанотрубки занимают главенствующее место среди приоритетных направлений исследований по той простой причине, что исходный материал – углерод - очень дешев. А это значит, что углеродная нанотехнология позволяет создать колоссальную надбавленную стоимость, и это сулит огромные прибыли. Именно поэтому все развитые и не очень страны так или иначе стремятся первыми создать свои нанотехнологии, чтобы в будущем захватить как можно большую долю рынка. Эту «нанотехнологическую лихорадку» можно сравнить с «золотой лихорадкой», охватившей в свое время американский Клондайк. Как все, наверное, помнят, золота в Клондайке оказалось совсем не так много, как того ожидали золотоискатели и результатом «золотой лихорадки» стало множество искалеченных судеб.
Сегодня мировое сообщество находится в стадии определенной эйфории, чем, по-видимому, и объясняется наплыв восторженных публикаций о нанотехнологиях – вроде бы, что-то уже получается, и все уже ждут того, что завтра-послезавтра с помощью нанотехнологий удастся решить все проблемы человечества, в том числе победить рак и СПИД. Но природа всегда хитрее, а правда жизни такова, что ученых ждет трудная, кропотливая и дорогостоящая работа, результат которой отнюдь не очевиден. Панацеи от всех болезней и проблем еще не удавалось изобрести никому, хотя, скорее всего, ряд интересных задач решить наверняка удастся.
Одной из таких задач является создание квантового компьютера. Напомним, что квантовый компьютер оперирует с кубитами, принимающими дискретное квантовое состояние, соответствующее «0» и «1». Однако прелесть работы с кубитами заключается в удивительном свойстве квантовой суперпозиции – «смешивании» нескольких состояний «0» и «1» в одном кубите, проявляющемся в том, что кубит с определенной вероятностью Р находится в состоянии «1» и с вероятностью 1-Р - в состоянии «0». При этом все операции над кубитом модифицируют одновременно обе эти вероятности таким образом, как если бы действия производились над всеми «находящимися» там «1» и «0».
В сентябрьском номере журнала Nature опубликованы результаты двух работ: ученых из Национального Института Стандартов и Технологий США (NIST) и Йельского университета. В обоих случаях используются квантовые точки – наноскопические объекты, содержащие сотни-тысячи атомов в когерентном состоянии, в связи с чем иногда еще называемые «искусственными атомами».
Ученым NIST удалось передать информацию от одного кубита – квантовой точки - к другой, с использованием фотона. Свое изобретение исследователи окрестили «квантовой шиной» - очевидно, намекая, что его можно будет использовать для связи кубитов внутри квантового чипа.
Данное сообщение, выбранное мною в качестве примера (так как наш ресурс, всё-таки, в первую очередь – компьютерный), также иллюстрирует, насколько трудно идет прогресс в области нанотехнологий. Вопрос о том, насколько экономически эффективными будут инвестиции в эту отрасль, остается открытым.
В будущих публикациях мы попробуем раскрыть подробнее тему перспектив наноэлектроники – помимо традиционной, кремниевой, вполне вероятно (но вовсе не обязательно) наступление «углеродной эры». Корпорация NEC, единственная, обладающая правами на коммерческое использование нанотрубок, обещала в свое время выпустить на рынок первую микросхему на углеродных нанотрубках в 2010 году. Так что ждать нам осталось совсем немного.