Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Следующим, менее драматичным, но очень важным этапом развития новых технологий, по мнению экспертов фирмы Gartner, выступает «закат эпохи Просвещения», выводящий производителей и потребителей на «плато производства», при котором новые идеи начинают приносить реальную прибыль. На этом этапе развития неизбежно появляются предупреждения об исчерпанности возможностей новых технологий, их неизбежной гибели и т. п., подобно тому как в развитии кремниевой полупроводниковой технологии был период мрачных прогнозов (начало 1990-х годов), закончившийся широким внедрением в практику новых материалов (арсенида галлия и т. п.).

Впрочем, поскольку нанотехнологии имеют дело с веществом в его самых фундаментальных формах (атомы и молекулы), сейчас не имеет смысла даже фантазировать о том, что ожидает нас на следующем витке развития прогресса.

3.3. Факторы, затрудняющие прогнозирование

Вообще говоря, общую картину развития нанотехнологий даже на ближайшее время сейчас трудно прогнозировать, не в последнюю очередь из-за очевидных сложностей с определениями и терминологией. Например, многие фирмы спокойно относят свои производства к нанотехнологическим, аргументируя тем, что в процессе изготовления они давно оперируют размерами точностью в несколько нанометров. В качестве наглядных примеров можно указать производство осциллоскопов (которые должны обладать полосой пропускания около 10 ГГц, для точной регистрации сигнала шириной 1 ГГц) и полупроводниковых устройств, которые давно добились нанометрической точности в некоторых производствах, где уже изготовляют детали толщиной всего 20 нм. Эта величина составляет всего 1/1000 толщины человеческого волоса, но является уже вполне разумной для промышленного производства, доказательством чего может служить обещание фирмы Intel достигнуть ее к 2012 году [14] во всех чипах для быстродействующих запоминающих устройств.

Некоторые специалисты настаивают на том, что к «настоящим» нанотехнологиям следует причислять не те, в которых обрабатываются нанометрические объекты, а лишь те, в которых на молекулярном уровне осуществляется реальный технологический контроль над размерами изготовляемых деталей. Рассмотрим, например, процесс создания углеродных нанотрубок, представляющих собой просто цилиндрические образования из пятиугольных колец диаметром около 1 нм. Должны ли мы формально причислять их к нанотехнологическим материалам, если процесс синтеза контролируется лишь в самых общих чертах? Строго говоря, мы можем утверждать, что умеем производить новый материал лишь тогда, когда научимся управлять молекулярным процессом синтеза нанотрубок и будем способны выращивать из них, например, монолитные изделия со степенью точности, уже достигнутой в полупроводникой технике. Представляется очевидным и справедливым, что реально говорить о создании новых технологий мы сможем лишь после того, как научимся не только применять, но и строго контролировать точность используемых процессов. Ради справедливости стоит отметить, что за последнее время в этом направлении достигнут замечательный прогресс, о котором раньше нельзя было и мечтать. Например, в ноябре 2004 года появились сообщения о возможности использования искусственных молекул ДНК для ориентации углеродных нанотрубок и создания на этой основе устройства типа транзистора [15] . Важным фактором современного этапа развития выступает эффект, который физики называют синергией, то есть взаимным усилением воздействия разнородных факторов или методик. Например, это может означать применение методов молекулярной инженерии не в биологии, а для совершенно новых целей и процессов.

Более того, некоторые фирмы-производители уже преодолели сложности научно-конструкторских разработок и готовы перейти к коммерческому производству новых материалов и продуктов. Например, известная южнокорейская фирма Samsung объявила о скором массовом выпуске изделий следующего поколения с использованием углеродных нанотрубок. В частности, фирма уже создала прототип нового типа плоского телевизионного экрана (известного под названием «дисплей с полевой эмиссией») и собирается в ближайшее время запустить его в производство [16] . В новом устройстве очень большая решетка высокоточных и компактных электронных излучателей будет обеспечивать свечение экрана с исключительно высокой точностью и яркостью, значительно превосходящей существующие аналоги плоских экранов. Кроме того, фирма обещает значительно снизить энергопотребление новых типов телевизоров.

Тем самым фирма Samsung бросает вызов своим конкурентам, которые должны либо быстро начать агрессивную политику инвестиций в развитие аналогичных технологий, либо заранее смириться с поражением. Читателю можно напомнить историю с положением дел в радиоэлектронике начала 1960-х годов, когда фирмы Sony и Panasonic первыми выпустили на рынок карманные транзисторные приемники, ставшие позднее символом технической революции в области полупроводников [17] . Интересно отметить, что фирма Sony вовсе не была пионером в производстве самих материалов, а начинала со сборки. Транзисторы для выпуска своих первых радиоприемников 1955 года Sony закупала на стороне, но позднее активно занялась материалами и устройствами, быстро создав технологию производства целого ряда очень популярных образцов бытовой радиоэлектроники. В настоящее время новые материалы и устройства столь же энергично разрабатывает специализированный исследовательский институт фирмы Samsung (Advanced Institute of Technology) в южном пригороде Сеула.

В этой связи следует особо отметить разнообразие свойств наноматериалов и связанную с этим возможность их применения для совершенно новых целей, которые зачастую даже не предполагались в исходных разработках. Например, многие из читателей наверняка неоднократно читали о необычных электрических характеристиках углеродных нанотрубок, позволяющих создавать новые устройства и приборы. При этом редко отмечается, что углеродные нанотрубки одновременно обладают очень высоким коэффициентом теплопроводности, что делает их весьма перспективным материалом для решения совершенно иной задачи компьютерной техники, а именно – для создания так называемой «тепловой смазки» между микропроцессорами и теплоотводами [18] .

При этом производственные проблемы могут выглядеть по-разному для одних и тех же материалов, используемых с разной целью. Например, если технология обеспечивает высокий выход нанотрубок, но не позволяет гарантировать постоянство их длины, то фирме-производителю следует подумать о возможность выпуска упомянутой выше «тепловой смазки» или других теплоизолирующих составов, для свойств которых длина трубок несущественна. Углеродные нанотрубки являются очень наглядным примером, так как исследователи неожиданно для себя обнаружили для них множество интересных и необычных применений. Введение трубок в качестве наполнителя позволило улучшить свойства теннисных мячей, повысить механические свойства тканей, создать новые типы косметических и лекарственных препаратов и многое другое [19] . Для многих наноматериалов массового производства трудно указать конкретные применения, так как специалисты продолжают изучать их свойства и возможности. Например, неожиданно выяснилось, что нанотехнологическая обработка значительно улучшает некоторые характеристики тканей (повышает их стойкость к загрязнению, прочность и т. д.), в результате чего известная фирма рабочей одежды Dockers подвергает такой обработке более половины своей продукции.

Можно вспомнить и о том, что наноматериалы ценны и благодаря многим физическим характеристикам, которые прежде не изучались учеными просто в силу того, что были недоступны для исследователей. Подобно тому как лазерная техника (возникшая после создания когерентных источников монохроматического излучения) позволила начать изучение и использование множества ранее неизвестных процессов, так и нанотехнологии предлагают нам то, что можно образно назвать «когерентными объектами». Например, уже существует техника, позволяющая создавать так называемые наносферы или «наноснаряды», размеры которых «подгоняются» таким образом, что они могут преобразовывать в тепло световое излучение с заданной длиной волны. Такие наносферы представляют особый интерес для врачей-онкологов, которые вводят их в пораженные раком ткани организма и пытаются создать на этой основе новые методики разрушения раковых клеток (интересная статья на эту тему была опубликована в июньском номере журнала Cancer Letters за 2004 год). Предварительные исследования показали, что эти методы обладают значительными преимуществами по сравнению с используемыми в настоящее время [20] .

Интересно, что новое применение находят даже казавшиеся фантастическими проекты создания так называемых инфинитезимальных (бесконечно малых, исключительно малых) механизмов или машин. Некоторые из таких устройств уже внедряются. Например, в 2004 году были созданы поразительно малые сопла для струйного принтера (диаметром около 35 нанометров), конструкция которых построена примерно всего из 75 000 атомов! Кстати, они могут служить примером разнообразия нанотехнологических устройств, так как разработчики действительно создавали их для использования в особо точных принтерах (их производство запланировано на 2008 год), однако позднее выяснилось, что такие инжекторы могут быть очень эффективны в медицинских имплантируемых устройствах для целевой доставки и введения медицинских препаратов внутри организма. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института продемонстрировала возможности этой методики и пообещала начать выпуск устройств к 2015 году [21] .