/
КонтактыО проекте Блог
Galaktika

Вход | Регистрация


Запомнить меня
Забыли пароль?

 

  ПОИСК


 
 

 

Атом насущный

Финансы, оборудование и кадры — три кита, на которых держится наномир. В России финансирование в области нанотехнологий в сотни раз меньше, чем на Западе. Оплатить международное патентование (50 тыс. долларов за патент) для российского нанотехнолога, превращающего научные проекты в реальность, — что-то из области фантастики. Центров, способных работать на атомарном уровне, в нашей стране единицы, в США — сотни. Организаций, специально готовящих нанотехнологов, в РФ и вовсе нет, а в Соединенных Штатах еще в 2001 году была разработана национальная программа по нанотехнологиям, в которой большое значение придавалось подготовке специалистов. Эксперты констатируют сильное отставание России также и в области наноэлектроники, которое, возможно, и удастся преодолеть, но только ценой гигантских усилий. Подобных тем, которые уже предпринимались в истории страны, когда она наращивала ядерную мощь.

«Сегодня для большинства людей нанотехнологии — такая же абстракция, как и ядерные технологии в 30-е годы прошлого века», — сказал в своем последнем ежегодном Послании Федеральному Собранию Президент России Владимир Путин. Дело в том, что нанотехнологиями называют сейчас чуть ли не все — лишь бы содержался хоть небольшой присущий им компонент. Страсти по этой теме вполне объяснимы: где «нано» — там финансирование. «Если раньше просто говорили „микро“, то теперь выгодно называть „нано“, чтобы получить деньги», — говорит заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН Виктор Принц, ученый с мировым именем, под чьим руководством новосибирскими учеными создано целое направление — новые классы твердотельных наноструктур из полупроводников, диэлектриков, металлов, макеты наноприборов и новые наноматериалы.

Об исследованиях в области нанотехнологий и перспективах развития этой отрасли в России рассказывает Виктор Яковлевич Принц.

— Виктор Яковлевич, самый первый и, пожалуй, главный вопрос: что такое нанотехнологии?

— Это область прикладной науки, контролирующая и преобразующая материю на атомном и молекулярном уровнях. Это удивительно красивый мир, где работают законы квантовой механики и не работают «обычные» законы макромира. Это создание, производство и использование структур, приборов и систем с размерами нанометрового диапазона.

Если человек научится управлять атомами и молекулами, то сделает все, что захочет. Любые фантазии, не противоречащие законам физики, станут реальностью. Переход к таким размерам открывает качественно новые возможности практически во всех сферах деятельности. Например, в практическом здравоохранении появятся новые методы лечения. Сейчас вы пьете таблетки, которые действуют на весь ваш организм, а благодаря нанотехнологиям лекарственные вещества будут попадать исключительно в больные клетки.

— Нанометр — это сколько?

— Это одна миллиардная часть метра. На ней можно расположить около 10 атомов водорода. Освоение нанометровых размеров уже позволило увеличить плотность и быстродействие транзисторов: первый транзистор, созданный в 1947 году, занимал квадратный сантиметр. Сегодня на такой площади размещается почти триллион транзисторов!

— Что нового разработано в вашей лаборатории?

— Первыми в мире мы предложили и разработали технологию, с помощью которой возможно формирование трехмерных наноэлементов с предельно малыми размерами. Например, трубки с диаметром два нанометра, спирали с диаметром семь нанометров. Нам впервые удалось сформировать структуры строго заданных размеров и строго заданной формы из любых материалов (металлов, диэлектриков, полупроводников). Они служат элементами для изготовления наноустройств и наноматериалов. Причем в отличие от плоских структур, трехмерные объекты более эффективны, более функциональны. Они формируются с атомарной точностью и имеют атомно гладкую поверхность.

— Как формируются трехмерные нанообъекты заданной формы?

— В качестве исходных берутся плоские высокоточные структуры, создаваемые молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ, по существу — это высокоточное вакуумное напыление). МЛЭ способна монослой за монослоем выращивать сложные структуры из различных веществ. Важно отметить, что специально выращиваются структуры, состоящие из упруго сжатых и растянутых слоев. Мы впервые показали, что от полупроводниковых, диэлектрических и металлических кристаллов можно отсоединять слои толщиной до 0,5 нанометров. Отсоединяемые слои под действием упругих напряжений изгибаются. Мы увидели в этом целое направление высокоточного изготовления самых различных наноструктур и наноприборов, так как упругие напряжения в пленках задаются разницей размеров атомных решеток пленок, то есть самой природой. Минимальный радиус изгиба был равен одному нанометру.

В действительности оригинальная технология включает в себя целый комплекс методов и процессов, обеспечивающих высокую точность изготовления объектов. Это, прежде всего, методы направленного изгиба и сворачивания пленок, методы сборки и высокоселективного травления слоев и бездеформационной сушки сформированных структур. По сути, мы имеем дело с молекулярной технологией. Причем, используя данный подход, можем контролируемо формировать нанообъекты различной конфигурации, например, трубки, спирали, кольца, полусферы, иглы и строго упорядоченные массивы на их основе. Такие трехмерные микро — и наноструктуры невозможно сформировать какой-либо другой известной технологией.

Сейчас разрабатывается метод отсоединения слоев толщиной в один атом. Такие монослойные пленки углерода представляют собой новую двухмерную систему с целым рядом уникальных свойств, что делает ее весьма перспективной для создания углеродной наноэлектроники и нанооптоэлектроники.

— Зачем сворачивать нанотрубки, закручивать наноспирали — как используются трехмерные наноструктуры?

— Очень хороший вопрос. Данные объекты являются базовыми элементами наноприборов, устройств, систем. К сожалению, до настоящего времени отсутствовало финансирование на разработку элементной базы наноэлектроники и сложных устройств наномеханики, поэтому мы смогли выполнить разработку только простых устройств. Например, из нанотрубок мы первыми в мире изготовили наношприцы, которые предназначены для использования в клеточной биологии. Они с тонкими стенками и малым диаметром и позволяют проникать в клетку, практически не повреждая ее. Наноспирали используются для создания метаматериалов (искусственных кристаллов, в которых вместо атомов расположены нанообъекты). Большинство трехмерных структур предназначены для использования в электронике.

— Какие-то другие разработки в сфере наномедицины есть?

— Есть много идей. Сейчас думаем о том, как сделать наномоторчики для нанороботов, размер которых был бы меньше размера кровяных телец.

— Для чего они нужны?

— Для адресной доставки лекарств, а также для нанохирургии. Самый острый в мире скальпель (атомно острый) мы уже изготовили.

— Что такое наноанемометр — другая ваша разработка?

— Анемометры — это датчики, которые измеряют скорость потоков газов. Принцип работы стандартного анемометра очень простой: достаточно массивная проволочка, один из элементов анемометра, то нагревается током, то охлаждается — потоком газа. Поскольку проволочка массивная, охлаждение требует определенного времени: всего лишь несколько миллисекунд, но это достаточно много. Совместно с Институтом теоретической и прикладной механики мы создали наноанемометр: заменили проволочку трубкой с тонкими нанометровыми стенками. В результате инерционность такого анемометра существенно меньше, он обладает быстродействием, почти в тысячу раз превышающим действие классических датчиков. Появилась возможность регистрировать возникновение быстрых турбулентных течений и управлять ими.

Виктор Принц - заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор

— В вашей лаборатории создаются новые метаматериалы. Это тоже ваша новация?

— Идея о создании метаматериала 40 лет назад была высказана советским ученым Виктором Веселаго. Метаматериал формируется не из атомов, а из метаатомов — кластеров, которые имеют намного большие размеры, чем атомы. Если изготовить из них кристалл, то получится вещество, которое взаимодействует с электромагнитным излучением по другим законам.

— У метаматериалов нет аналога в природе?

— Свойства метаматериалов существенно отличаются от свойств природных материалов. Свет в них распространяется по совершенно другим законам, у метаматериалов отрицательный коэффициент преломления. Если сделать из них оболочку и внутри поместить какой-нибудь объект, например, металлический цилиндр, то он будет невидим. Отрицательный коэффициент преломления, а также создание невидимости объектов, помещенных за метаматериалом, были продемонстрированы в 2006 году английскими и американскими учеными для гигагерцевого излучения. Первые успешные эксперименты по изготовлению двухмерного метаматериала для терагерцевого излучения мы уже выполнили в 2006-м, планируем перейти к более коротким длинам волн, вплоть до оптических. Для этого будем использовать массивы из наших трехмерных наноструктур.

— Какие еще новинки сегодня разрабатываются?

— Мы получили нанокомпозиционные материалы, представляющие собой полимер с периодически расположенными в нем наноспиралями. Такой материал может быть использован для изготовления динамических поляризаторов терагерцового излучения лазера на свободных электронах. Совместная работа с Институтом ядерной физики СО РАН уже начата.

Разрабатываем оригинальную технологию изготовления графена — слоя углерода толщиной в один атом. Этот материал будет использоваться для изготовления газовых сенсоров чувствительностью в одну молекулу. То есть, графен, подобно собаке, ощущающей на большом расстоянии запах, чувствует прикосновение одной его молекулы.

Сейчас работаем над чувствительными сенсорами, которые необходимы для устройств безопасности. С их помощью можно «увидеть» градиент магнитного поля, градиент поля тяжести. Например, на расстоянии нескольких метров можно засечь, что человек несет ружье, на расстоянии полукилометра можно «увидеть» танк.

Изготовлены макеты нанопринтеров, которые, в отличие от струйных принтеров, «стреляют» каплями не в 100 микрон, а в 10 тысяч раз меньшими.

— Когда была начата работа по наноматериалам в вашей лаборатории?

— 15 лет назад. Первые значительные успехи получены лет семь-восемь назад, когда мы поняли, что сделали действительно новую нанотехнологию.

— Ваши исследования были отмечены какими-то премиями, наградами?

— Для нас наградой является международное признание нашего приоритета. В 2003 году Японское общество прикладной физики наградило нас за лучшую работу года. Ежегодно сотрудникам лаборатории поступают приглашения сделать доклады на конференциях. На Международной конференции в Германии (в 2003 году) и на собрании Американского физического общества (в 2006 году) были созданы специальные секции, посвященные нашей технологии. Эти секции мы открывали докладами. Первая наша статья 2000 года о нашей нанотехнологии уже имеет индекс цитирования более 100.

— Кто сегодня в России еще занимается нанотехнологиями?

— Первыми нанотехнологами можно считать еще древних римлян, использовавших порошки при производстве металлов. Если же определить нанотехнологию на уровне формирования устройств, объектов, материалов с принципиально новыми свойствами, то таких центров у нас два-три. Я не беру во внимание организации, которые не решают ключевых задач. В России сегодня очень мало групп, которые занимаются действительно нанотехнологиями, теми, которые провозгласил Фейнман, а не древние римляне.

— Почему их мало?

— Для того чтобы ими заниматься, нужно высокотехнологичное оборудование. Порошок можно изготовить и разбивая что-то молотком, а вот сделать транзистор и сложную интегральную схему с нанометровыми размерами никаким молотком не получится.

Допустим, некий технолог решил сделать новый нанообъект. Как он увидит атомы, как он увидит молекулы? Когда по телевизору показывают что-то в микроскоп и говорят, что это нанообъект — это удивляет. Потому что все, что меньше, чем длина волны света, в оптическом микроскопе не увидеть.

Нельзя было начать заниматься нанотехнологиями ни в средние века, ни даже в середине прошлого века, потому что не было оборудования, которое позволяло контролировать материю на уровне нанометров. Если вы из атомов и молекул делаете какие-то устройства, вы должны видеть, куда поместили эти молекулы, что произошло с ними. Нужны устройства, которые модифицируют, преобразуют, вытравливают из больших элементов маленькие. Каждое из них стоит в среднем миллион долларов.

В нашем институте подобное оборудование есть, в этом мы имеем некоторое преимущество перед многими другими институтами. У нас есть установки молекулярной эпитаксии, электронной и ионной литографии, плазменного травления структур, а также специальный корпус для технологии.

Весь этот парк оборудования формировался в течение многих лет в результате усилий директоров — академика Анатолия Ржанова, член-корреспондента Константина Свиташева, академика Александра Асеева. Установок молекулярной эпитаксии у нас даже больше, чем в некоторых больших институтах на Западе, и только потому, что в свое время смелый и талантливый физик и организатор профессор Сергей Стенин возглавил разработку советских установок. Но это не означает, что у нас есть все необходимое.

— Кроме оборудования, что еще нужно для развития нанотехнологий?

— Финансирование. Рубль, потраченный на исследования, требует вложения уже десяти на создание макетов, и ста — на запуск производства. Один только завод по изготовлению интегральных схем стоит пять миллиардов долларов. А таких заводов должно быть много. В Соединенных Штатах финансированием наноотрасли занимаются все: и государство, и частные инвесторы — крупные компании. У нас пока нет частных инвестиций в нанотехнологии, поэтому финансирование по сравнению с США в разы меньше. Соотношение — приблизительно один к ста.

— России не догнать США?

— А не нужно догонять. После выхода в 2001 году национальной программы по нанотехнологиям в США японцы проанализировали свою наноотрасль. Поняв, что американцев им уже не догнать, они выделили всего несколько десятков направлений, по которым работают. Мы же работаем по всем направлениям! И по всем хотим догнать и перегнать. В короткие сроки и за малые деньги. Мы работаем без приоритетов — в этом наша главная проблема. И это не только мое мнение, это мнение многих ученых.

— Решение проблемы есть?

— Есть. Нанотехнологии необходимо развивать комплексно, планомерно, ориентируясь на ключевые области. Если все начнут заниматься только «порошками», то ничего из этого не выйдет. Настало время, когда нужно задать вопрос: «куда идти и как идти?» Чтобы наноотрасль в России заработала, нужно лет десять. За год мы никого не догоним и не перегоним. Необходимо сосредоточиться на ключевых областях и на тех, в которых есть задел и есть сотрудники, не боящиеся брать на себя ответственность и работать с полной отдачей.

— Нужны финансы, оборудование и время. Все?

— Еще нужны десятки тысяч нанотехнологов — как минимум около 20 тысяч. Но где они готовятся? Где их взять? Никто этот вопрос не поднимает. Из университетов в лаборатории приходят талантливые люди, но чтобы каждый из них стал настоящим специалистом, необходимо немалое время. Нанотехнолог должен быть и биологом, и химиком, и физиком одновременно. Он должен уметь работать с высокотехнологичным дорогостоящим оборудованием и чувствовать технологию. Должен уметь создавать новое и иметь большое терпение. Нанотехнологии — дело кропотливое.

Источник: Журнал «Эксперт»

 


« Назад

Хиты

В России начались испытания аппарата «Луна-25»
В России начались испытания аппарата «Луна-25»
Российские специалисты начали испытания аппарата «Луна-25» («Луна-Глоб»), который в 2019 году должен приступить к изучению спутника Земли. Об этом в ходе выставки Paris Air Show-2015 в Ле-Бурже РИА Новости сообщил представитель «Объединения имени Лавочкина», представившего там макет аппарата. 
Первый в истории частный спутник на солнечном парусе вышел на орбиту
Первый в истории частный спутник на солнечном парусе вышел на орбиту
Разработан и построен он был на деньги некоммерческого Планетарного общества США, объединяющего энтузиастов исследования дальнего космоса. 
Роскосмос отложил оглашение результатов расследования аварии «Прогресса»
Роскосмос отложил оглашение результатов расследования аварии «Прогресса»
Роскосмос продлил на неопределенный срок работу комиссии по расследованию причин произошедшей 28 апреля 2015 года аварии транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс М-27М».