Нанотехнологии сегодня
АрхивМногие думают, что нанотехнологии — дело далекого будущего. Конечно, такие устройства, как механокомпьютеры и нанороботы, еще не скоро появятся в нашей жизни.
Многие думают, что нанотехнологии - дело далекого будущего. Конечно, такие устройства, как механокомпьютеры и нанороботы, еще не скоро появятся в нашей жизни. Более того, далеко не все уверены, что описанные в книгах Эрика Дрекслера наноустройства вообще могут быть созданы. Тем не менее, нанотехнологии - уже реальность.
О дебатах Дрекслера и Смолли
Картина будущего, нарисованная в работах Дрекслера (Eric Drexler), многим кажется слишком фантастичной; в последние три-четыре года его выкладки стал оспаривать и очень авторитетный ученый, лауреат нобелевской премии по химии Ричард Смолли (Richard Smalley). Апогея конфликт достиг в последнем прошлогоднем номере журнала Chemical&Engineering News, где Смолли объясняет, почему он не может принять один из главных постулатов Дрекслера.
Смолли отнюдь не отрицает, что нанотехнологии станут одним из ключевых факторов в развитии человечества, однако не верит в возможность управляемого механосинтеза и построения реплицирующихся нанороботов. Механосинтез - это формирование химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу. При этом возможно формирование как ковалентной, так и других связей. Если второй тезис Смолли еще можно принять, с некоторыми оговорками (такой репликатор будет представлять собой сложную систему взаимодействующих нанороботов), то с первым современные нанотехнологи (во главе с Дрекслером) не согласны. Механосинтез возможен, так как главные его положения не противоречат основным законам физики.
По мнению же Смолли, наноконструкторы не имеют права на существование по нескольким причинам. Во-первых, ошибочно полагать, что можно манипулировать отдельным атомом без связи его с окружающими. "Идея наномашин не учитывает основ химии. Химия - это не просто установка одного атома на нужное место… Это, по меньшей мере, совместное движение десятка атомов", - пишет Смолли. Значит, для передвижения одного атома наноконструктор должен иметь как минимум десять манипуляторов нанометрических размеров. Что приводит нас к так называемой "проблеме толстых пальцев". Нанометр примерно равен восьми диаметрам атомов кислорода. Поэтому даже когда речь идет о постройке устройств длиной в сотни нанометров, то манипуляторам просто не хватит места. А если вы каким-то чудом сумели захватить атом, то его понадобится как-то отделить от соседей ("проблема липких пальцев").
Однако Смолли забывает, что принцип механосинтеза построен на основах классической химии. Дрекслер добавил только одно нововведение: молекулы реагируют друг с другом не в растворе, а путем искусственного механического сближения. При этом, в зависимости от реагентов, будет выполнено их позиционирование для успешной реакции. Смолли считает, что в химии необходимо очень точно позиционировать реагенты относительно друг друга. Броуновское движение работает в роли позиционного механизма, перебирая все возможные комбинации расположения реагентов, неоднократно сталкивая молекулы. В принципе так же может работать с веществами и манипулятор, но Смолли почему-то об этом не упоминает. Манипулирование отдельными атомами - задача очень трудная, и, скорее всего, для начала проще разработать молекулярную наносборку. Дрекслер, правда, некорректно доказывает Смолли возможность механосинтеза на примере энзимов и рибосом. Энзимы и рибосомы - природные наномашины, которые манипулируют молекулами в клеточной "фабрике", обрабатывая различные вещества и синтезируя необходимые белки. Все энзимы и рибосомы работают в жидкой среде, тогда как нанофабрики и наноманипуляторы должны оперировать молекулами в вакууме и, возможно, при сверхнизких температурах.
Недавно Крис Феникс (Chris Phoenix), директор исследований Центра надежных нанотехнологий, обсуждал возможность механически проводимых химических реакций в рамках проекта "30 важнейших вопросов нанотехнологий". Вопрос о возможности механосинтеза стоял в списке первым. Феникс отметил, что уже сейчас можно создать ковалентные связи между определенными реагентами с помощью сканирующего зондового микроскопа. Ранее Эрик Дрекслер, Роберт Фрайтас (Robert Freitas) и Ральф Меркле (Ralph Merkle) построили модель механосинтеза алмазоида (вещества, в котором атомы углерода формируют кристаллическую решету алмаза) на математическом аппарате NANO-HIVE, довольно точно передающем физику наномира. Так что не исключено, что при наличии соответствующей инструментальной базы механосинтез реализовать можно. Компания Zyvex, мировой лидер в области нанотехнологий, с 1996 года разрабатывает серию наноманипуляторов и микроскопов. Ее главная цель - создание молекулярного ассемблера.
Кто прав - Дрекслер или Смолли, - покажет время. Но и без механосинтеза нанотехнологии постепенно проникают в нашу жизнь. Производители компьютерных чипов уже освоили 90-нм техпроцесс и планируют "спуститься еще ниже". И это только один из примеров.
Результаты современных исследований
Многие интересующиеся нанотехнологиями люди могут задать вопрос: близки ли современные исследования к тому, что описывал Дрекслер в "Машинах Создания"? Создано уже хоть что-нибудь, или нанотехнологии - это только красивые картинки манипуляторов и редукторов из атомов, напоминающие наборы от Lego? Отвечаю: пока нет ни одного наноробота, но отдельные действующие его части уже существуют. Так, в 1999 году группа исследователей из Корнелльского университета, возглавляемая Карло Монтеманьо (Carlo Montemagno), построила интегрированную биоНЭМС (НЭМС - наноэлектромеханическая система) - биомотор вращательного действия на основе энзима АТФазы.
Многие проектировщики нанороботов тут же включили АТФазный мотор в свой инструментальный арсенал. Так, в рамках проекта BioNanorobot университет Рутгерса представил модель простого наноробота, состоящего из одной нанотрубки, на одном конце которой - биомотор, а на другом - набор протеиновых маркеров, связанных с лекарством, находящимся внутри нанотрубки.
Такая система сможет быстро перемещаться по кровеносным сосудам человека, доставляя лекарства только к больным клеткам. При этом "роботу" не нужно ни компьютера, ни средств связи, ни даже питания - биомотор находится в крови, где хватает "топлива" для его работы - молекул АТФ. Все компоненты для создания устройства уже имеются, теперь основная задача - соединить их вместе.
АТФаза - уникальный энзим, который можно найти практически в любом живом организме. Он состоит из двух частей: 1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, отвечающей за транспорт протонов, и 2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ. По мере того как протоны протекают через F0, часть энзима, g-субъединица части F1-ATФазы, вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении g-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов реверсируется. Присоединив флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к g-субъединице АТФазы, ученые смогли измерить радиальное отклонение микросферы при вращении g-субъединицы.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Следует, например, выявить зависимость производительности мотора в виде обобщенной функции от теплоотдачи, выхода протонов, рН и загрузки энзима АТФ. Более того, нужно изучить взаимодействие между субъединицами a3b3g, чтобы методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это возможно.
Исследователи из университета Беркли во главе с Алексом Зеттлом (Alex Zettl) сконструировали действующий электростатический наномотор размером 500 нм.
Ротор наномотора изготовлен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке. Подшипники образованы двумя нанотрубками, вставленными одна в другую. Толщина ротора - 5–10 нм. Два заряженных статора, тоже золотых, расположены на кремниевой поверхности. Одним из неприятных сюрпризов стала невозможность точно измерить скорость вращения наномотора (по данным электронной микроскопии - не менее 30 оборотов в секунду). Исследователи считают, что наномотор можно заставить вращаться быстрее, увеличив частоту напряжения, поданного на электроды статора. Ротор и электроды статора были нанесены с помощью электроннолучевой литографии (после этого, разумеется, слой кремния под ротором удалили).
Когда на электроды подавалось постоянное напряжение 50 В, ротор отклонялся на 20 градусов, а когда подавалось переменное напряжение, ротор производил маятникообразные движения, работая как осциллятор.
Для транспортирования молекул и отдельных атомов к месту сборки ученые могут использовать уже созданный наноконвейер на основе нанотрубок. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли трансформировали углеродные нанотрубки таким образом, чтобы получить конвейеры, способные транспортировать молекулярные объекты к микроскопическим линиям сборки. Это поможет в будущем развить автоматизированное молекулярное производство.
Пропуская через нанотрубку слабый электрический ток, ученые добились перемещения отдельных частиц индия вдоль нанотрубки. Подобным образом работает автомобильный конвейер, перемещая сборочные части от одного рабочего места к другому. Результаты работы опубликованы в апрельском выпуске Nature. "Теперь мы не будем перемещать атомы один за другим, когда есть возможность использовать конвейер", - говорит Крис Реган (Chris Regan) из лаборатории материаловедения, соавтор исследования, в котором принимали участие также Ульрих Дамен (Ulrich Dahmen), Роберт Ричи (Robert Ritchie) и Алекс Зеттл.
"Работа конвейера больше похожа на перекачку воды с помощью насоса и прикрепленного к нему шланга - частицы индия прямо-таки перекачиваются из одного места в другое вдоль нанотрубки, - продолжает Крис Реган. - Наша система проста и реверсивна и требует всего одну нанотрубку, источник энергии и транспортируемый материал. Более простой метод нанотранспортировки придумать пока трудно".
Весной 2004 исследователям из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе удалось создать из органических молекул сложные молекулярные машины, которые были названы нанотехнологическими лифтами. Нанолифт состоит из молекулы-платформы, шахтой для которой является другая молекула. Плоская платформа соединена с тремя богатыми кислородом колечками. Шахта же имеет плоскую крышу и стоит на трех вертикальных прутиках, каждый из которых пронизывает одно из колец. Размеры конструкции - 2,5 нм в высоту и 3,5 нм в ширину. Кислотно-щелочная реакция используется, чтобы привести лифт в действие.
Исследователи считают, что нанолифты могут применяться для управления химическими реакциями или же в качестве систем доставки лекарств. Пригодятся нанолифты также и при автоматизированной молекулярной сборке.
Одновременно с этим исследователи из университета Нью-Йорка построили "шагающего" наноробота, использовав оригинальный принцип: робот поочередно то присоединяет свои "ноги", состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.
Создание подобного двигающегося наноустройства - один из серьезных прорывов в построении наносистем. Надриан Симэн (Nadrian Seeman) и Уильям Шерман (William Sherman), построившие ДНК-робота, говорят, что многие ученые до них пробовали создать движущиеся "двуногие" наноструктуры, но это первый успешный результат. Ранее Симэн уже удивлял мировое научное общество различными "поделками" из молекул ДНК: это и микроскопические пинцеты, и разнообразные трехмерные ДНК-структуры.
Мобильные ДНК-роботы могут помочь в сборке более сложных наносистем: нанокомпьютеров, точных наноманипуляторов и нанороботов. Также ДНК-роботы, оснащенные наноманипуляторами, смогут оперировать отдельными молекулами и атомами, воплощая в жизнь главную задачу нанотехнологии.
Как видим, за последнее время произошло немало открытий, ускоряющих развитие нанотехнологий. На очередной конференции Института предвидения в 2003 году Дрекслер сказал, что нанотехнологии сейчас развиваются гораздо быстрее, чем он ожидал. Поэтому не будет ничего удивительного, если уже через два-три года нанотехнологии начнут пользоваться повышенным спросом на мировом рынке. Тем более что первые продукты, полученные с их помощью, уже есть в продаже.
Электроника
Нанотрубки, квантовые точки, кремниево-органические чипы становятся основой новых продуктов, многие из которых готовятся к выходу на рынок.
Приведем несколько примеров уже существующих устройств, полученных с помощью нанотехнологий.
В 2000 году был изготовлен ряд экспериментальных транзисторов на нанотрубках. Правда, как оказалось, полученные транзисторы значительно уступают в скорости современным (количество циклов on/off - всего 105 в секунду, что обусловлено недостаточной мобильностью электронов в транзисторе). В 2004 году проблему отчасти решили, создав новое органическое покрытие, повышающее мобильность электронов.
На поверхность нанотрубки нанесли специальный полимер - перхлорат/полиэтилен оксид (ППО). Если раньше надо было что-то придумывать для превращения нанотрубки в транзистор, то сейчас достаточно химическим методом нанести ППО на нанотрубку, и нанотранзистор готов! Также исследователи построили несколько пробных схем на основе нового транзистора. Им удалось произвести каскады нанотранзисторов длиной до 0,5 дюйма (длина каскада при этом ограничивается длиной нанотрубки; таким образом, в нанотранзисторе использованы нанотрубки максимальной длины, раньше этого достичь не удавалось). Развитие подобной технологии может привести к тому, что микросхемы и платы можно будет печатать на специальном принтере высокого разрешения, заправив его полотном из нанотрубок вместо бумаги. Тот же принтер напечатает и светодиодную матрицу, то есть фактически можно будет печатать компьютеры целиком.
Из-за удобства применения в микроэлектронике сегодня все больше внимания уделяется пластиковым компьютерным микросхемам. Они могут лечь в основу гибких пластиковых мониторов, электронной бумаги, гибких ПК и т. д. Теоретически это довольно дешевая технология, однако до сих пор массовое производство таких устройств не налажено. Почему? Потому что пластик характеризуется низкой мобильностью электрических зарядов. Исследователи из Лабораторий Белла, университета Рутгерса и университета Иллинойса обнаружили, что ориентация кристаллических органических полупроводников, размещенных в пластике, играет большую роль в увеличении производительности транзисторов, выполненных на этой основе. Им удалось разработать простую технологию производства транзисторов из хрупкого органического материала на гибкой полимерной основе. Так была достигнута рекордная мобильность заряда для пластиковых гибких устройств.
Ориентация проводящего кристалла по отношению к транзисторным электродам определяет их быстродействие. Разработанная технология (исследователи назвали ее ламинационной) может использоваться для дешевого массового производства органических транзисторов и светоизлучающих диодных матриц. Реальные продукты, созданные ламинационным методом, появятся через три-четыре года.
Япония преуспела в создании гибких солнечных батарей и FOLED-дисплеев. FOLED - гибкий органический дисплей (Flexible Organic Light Emitter Display). Уже есть прототипы подобных устройств, и их изготовители утверждают, что они найдут массовое применение в следующем поколении мобильных телефонов, видеокамер и цифровых фотоаппаратов.
Расскажем немного о дисплеях на основе нанотрубок. Углеродные нанотрубки - своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких миллиметров. Рассмотрим матрицу из углеродных нанотрубок.
Если на электроды подать напряжение соответствующей полярности, нанотрубка заряжается отрицательно, линии электрического поля вблизи заряженной нанотрубки искривляются и в окрестности острия нанотрубки напряженность поля становится огромной, причем тем больше, чем тоньше нанотрубка. Такое локальное поле может вырывать электроны из нанотрубки. Под действием внешнего поля летящие электроны формируются в пучок. Этот эффект называется автоэлектронной эмиссией.
В обоих случаях берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму. Если на электроды подается такое напряжение, что нанотрубка заряжается отрицательно, из нее на второй электрод излучается пучок электронов: ток в системе идет. При другой полярности нанотрубка заряжается положительно, электронная эмиссия из нее невозможна, и ток в системе отсутствует. Чтобы с помощью автоэлектронной эмиссии получить изображение, на аноде закрепляют люминофор. Электронный удар возбуждает молекулы люминофора, которые затем переходят в основное состояние, излучая фотоны. Например, при использовании в качестве люминофора сульфида цинка с добавками меди и алюминия наблюдается зеленое свечение, а при добавлении серебра - синее. Красный цвет получают с помощью легированного европием оксида иттрия.
В июне 2004 компании Agilent Technologies, Discera и Intel объявили о разработке производственных модулей, которые позволят выпускать чипы, названные one-chip integration. В таком "сложном" чипе уже будут находиться антенны, фильтры и логика, управляющая всеми этими устройствами. В первую очередь новые чипы появятся в мобильных телефонах и других средствах беспроводной коммуникации.
Компания Sharp, используя нанотехнологические подходы в создании новых интегрированных микросхем (кремниево-органических), изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 мкм. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новинки уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Также возможна интеграция этих батарей с новыми FOLED-дисплеями. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего 1 г и обладает мощностью 2,6 Вт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.
Дэн Шлиц (Dan Schlitz) и его команда год назад выиграли первый приз на 16-м ежегодном соревновании Burton D. Morgan Entrepreneurship Competition с бизнес-планом, направленным на разработку устройства, которое будет охлаждать электронику ноутбуков. "Конечно, одними ноутбуками применение таких охладителей не ограничивается. Они могут применяться и в мобильных телефонах (попробуй засунуть в мобильный телефон механический вентилятор! - Ю.С.), и в карманных компьютерах, и в другой электронике, которой необходим отвод тепла", - говорит Дэн.
Такие кулеры могут быть встроены в металлический радиатор, размещающийся на микросхемах. Это и обеспечит быстрый отвод тепла. Исследователи первыми использовали воздухоохлаждающую технологию, у которой охлаждающая способность близка к водным охладителям - 40 Вт/кв. м.
Ученые из универститета Ньюкасла создали две уникальные кремниевые микроминиатюры (длиной около 400 мкм) знаменитых архитектурных достопримечательностей Великобритании: Золотой мост и скульптуру Голубой ангел. Они столь малы, что их не видно невооруженным глазом. Для их создания команда использовала последние достижения в области химии, физики и микромеханики.
Технология, использованная исследователями, может быть полезна при изготовлении антенн для мобильных телефонов. Будущие микроантенны значительно сократят энергопотребление и стоимость производства мобильных телефонов.
Компания Nantero, специализирующаяся на изготовлении молекулярной памяти на основе нанотехнологий, и компания LSI Logic, лидер в производстве специализированных микрочипов, в июне начали переоборудовать одну из производственных линий под производство новых чипов памяти по технологии Nantero. На ней будет выпускаться NRAM - нанопамять с высокой плотностью данных.
IBM создала прототип устройства памяти "многоножка" (Millipede), первое наноустройство хранения данных. Компания ожидает, что эта переломная технология завоюет рынок к 2006 или 2007 году. Новинка состоит из записывающей матрицы манипуляторов, включающей в себя 4096 кантилеверов, выполненных как устройства чтения-записи (подобные кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно-силовых микроскопах). Правда, у прототипа пока вчетверо меньше кантилеверов, но это не мешает сделать вывод о благоприятных рыночных перспективах продукта.
IBM уже способна изготовлять "многоножки" серийно на базе кремниевых МЭМС. Однако "многоножка" - не простой жесткий диск, где головки не прикасаются к магнитной поверхности. Это устройство представляет собой "чистую" цифровую технологию. Принцип его работы сравним с работой проигрывателей грампластинок, в которых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несущей информацию, только у "многоножки" есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверхности хранения данных, на которой есть углубления, кодирующие 1 и 0. Таким образом, отклонения кантилеверов от равновесного положения переводятся в набор нулей и единиц.
Материаловедение
Компания NanoTex выпускает ряд самоочищающихся тканей, а также тканей, которые трудно испачкать и намочить. Фирма NanoSonic недавно представила одежду Metal Rubber, которая может менять форму в зависимости от желаний хозяина. Производители говорят, что она не содержит ни металлов, ни резины - лишь различные виды сложных полимеров, которые обеспечивают ей пластичность.
Не отстают и россияне. Так, концерн "Наноиндустрия" выпустил специальный восстанавливающий состав на основе адаптивных наночастиц, который может защитить от износа практически любые трущиеся металлические поверхности! Если залить такой состав в картер автомобиля, можно надолго забыть об износе двигателя. Дело в том, что при работе механические части нагреваются от трения, тем самым катализируя присоединение металлических наночастиц к поврежденным областям. А при сильном нагреве от избыточного наращивания наночастицами деталей они утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом, в трущемся узле постоянно поддерживается тепловое равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Для уменьшения расхода топлива группа GM Research использует нанокомпозиты, которые заменят традиционные автомобилестроительные материалы.
Новый Hummer H2 SUT будет легче, прочнее и экономичнее. Краска, состоящая из нескольких слоев наночастиц, будет более стойкой к царапинам и не потускнеет со временем. "Каждая часть машины может быть улучшена, так как вся машина состоит из молекул и атомов, а это и есть основной предмет нанотехнологии", - говорит г-н Тауб, глава исследователей GM Research.
Биотехнологии и медицина
Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Новинка компании pSivida под названием BrachySil способна доставлять противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Одна из главных проблем в борьбе с раком заключается как раз в том, что очень трудно истреблять больные клетки, не задевая здоровые. Известно, что радио- и химиотерапия приносит много вреда человеческому организму своими побочными действиями.
Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон, испытывается в данный момент на двух раковых пациентах в сингапурской больнице, к которым в ближайшее время присоединятся еще десять.
Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.
Если испытания в Сингапуре пройдут успешно, BrachySil появится на рынке к 2006 году.
Уже сейчас компания QuantumDot выпускает квантовые точки, присоединенные к антителам. В дальнейшем она планирует создать систему картографирования квантовых точек для поиска внутри человеческого тела определенных молекул. Так, например, если сделать квантовую точку совместимой с маркерами раковых клеток, то можно будет картографировать метастазы и опухоли. К сожалению, разработка технологии QuantumDot пока не завершена, так что осязаемых результатов мы дождемся лишь через несколько лет.
И, конечно, всем известная косметическая фирма Л’Ореаль уже использует в своих продуктах наносомы (нанокапсулы с полезными веществами и витаминами) для лучшей доставки питательных веществ в клетки кожи.
Пока все размышляют о том, опасны ли фуллерены и другие наночастицы, Nucryst Pharmaceuticals делает деньги на производстве покрытий с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран. Сейчас проходит второй этап клинических испытаний нанокристаллического серебра в качестве противовоспалительного средства. Новое покрытие уже успешно лечит экзему.
Как известно, серебро убивает бактерии. Наночастицы, производимые компанией, убивают до 150 видов бактерий в течение 30 минут. Продолжительность антибактериального действия покрытия - несколько дней. Наночастицы также попадают в кровь и действуют как противовоспалительное средство. Частицы серебра имеют размеры от 10 до 30 нм в длину. Компания планирует ежегодно производить покрытие размерами 150 тысяч квадратных метров. Продукт будет общедоступен для всех желающих - нужно будет просто пойти в аптеку. Возможно, новое покрытие будет продаваться в виде бактерицидных пластырей.
А пока компания Nucryst прикидывает, российский Институт нанотехнологий МФК уже проводит испытания домашних антибактериальных фильтров на основе серебряных наночастиц отечественного производства, превосходящих по своим характеристикам частицы Nucryst.
На сегодняшний день не известно никаких физических законов, запрещающих манипулирование материей атом за атомом. Экспериментальные данные и прогресс в области нанотехнологий в последние годы полностью подтверждают это.
