Журнал «Вокруг Света» №04 за 2007 год - Вокруг Света

У миниатюризации, естественно, имеется предел. Поскольку все сделано из атомов, то и транзистор должен состоять хотя бы из не скольких этих элементарных кирпичиков вещества, чтобы электронам, несущим информацию, было где остановиться в ожидании прихода следующей порции данных. Время межатомного взаимодействия измеряется фемтосекундами (10-15 секунд).

Компьютер, работающий на тактовой частоте в несколько терагерц и состоящий из триллионов сверхминиатюрных логических элементов, легко разместится внутри макового зернышка. Причем он будет потреблять так мало энергии, что это чудо техники можно будет вживить человеку. Так что в не столь отдаленном будущем каждый желающий сможет существенно повысить свои познания, интеллектуальные возможности и объем памяти, просто имплантировав миниатюрный суперкомпьютер себе под кожу.

Старые рецепты 

Глубоко не правы те, кто полагает, что нанотехнологии родились лишь в конце XX века и до того люди вообще не умели делать ничего размером меньше десятых долей миллиметра. Хорошо наточенный нож или бритва имеют режущую кромку толщиной порядка микрона (0,001 мм). Наночастицы сажи уже 100 лет добавляют в резину при изготовлении автомобильных покрышек. Более века ученые используют в своих приборах так называемые нити Волластона — платиновые и золотые нити диаметром существенно меньше одной тысячной доли миллиметра. Хрестоматийным примером древнейших нанотехнологий является сусальное золото, тончайшими пластинками которого и сегодня покрывают оклады икон и художественные изделия, а в древности золотили купола церквей. При этом после многократной ковки из 2—3 граммов золота получается почти квадратный метр покрытия толщиной менее микрона. Несмотря на все успехи химии и электролизного дела, этот метод и сегодня остается самым экономичным по расходу золота. Наноуровневые процессы лежат в основе виноделия, хлебопечения и сыроварения. С частицами вещества размером меньше микрона работают фотографы и художники. В фотоэмульсиях и красках встречаются очень маленькие кристаллики, а струйные принтеры «стреляют» капельками чернил размером в сотые доли микрона. При записи голограммы возникают структуры хотя бы по одному направлению (обычно в глубину), имеющие размер существенно меньше одной тысячной миллиметра. Ставшие привычными голографические значки на этикетках и акцизных марках, по сути, продукт нанотехнологический. Химики тоже давно осознали важность микроструктуры катализатора для процесса синтеза и старательно измельчают частицы платины и других «ускорителей» химических реакций. Естественно, что в этих древних и не очень примерах микроскопические структуры возникают в ходе вполне макроскопических действий и в современном понимании не являются продуктом наномасштабного производства.

Необычные материалы

Если оставить в стороне микроэлектронику, то самыми массовыми нанопродуктами окажутся разного рода сплавы, покрытия и композитные материалы, приобретающие особые свойства благодаря своей микроструктуре. Аморфные и нанодисперсные состояния многих металлов кардинально отличаются по своим характеристикам от их кристаллических форм. При этом в одном материале порой удается совместить крайне противоречивые механические свойства: одновременно увеличить твердость и пластичность. Еще шире перспективы применения разного рода композитов, когда в относительно мягкую, например хромовую, матрицу вводится крайне твердый материал —карбид вольфрама. В этом случае получается всем давно известный твердый сплав победит. Однако если полвека назад его делали, используя частички карбида размером с десятки микрон, то сегодня используют порошки размером существенно меньше микрона. Благодаря этому он не только становится тверже, но и более гладко режет сталь.

Самый тонкий в мире провод из углеродных нанотрубок на фоне платиновых электродов. Толщина провода всего около 10 атомов. Увеличение около 500 000х

Особые механические свойства — лишь часть достоинств новых сплавов. Одним из знаковых успехов последних лет была разработка целого ряда прочных и легких биологически совместимых материалов. В активно развивающемся направлении по созданию бактерицидных красок, покрытий и перевязочных материалов все шире применяются разного рода нанодисперсные материалы для борьбы с вредоносной флорой и фауной.

Нанопорошки активно используются при изготовлении всех видов магнитных носителей информации — от полоски с данными на кредитной карте до компьютерных жестких дисков. При этом у последних слой магнитного материала для снижения износа покрывается алмазоподобной пленкой толщиной несколько нанометров и тончайшим нанометровым слоем специальной смазки. Вот и получается, что у каждого из нас уже есть несколько устройств, в которых активно проявили себя нанотехнологические достижения.

Специальные смеси нанопорошков «лечат» двигатели внутреннего сгорания и трущиеся узлы. Микропористые материалы подходят для хранения водорода и сбора разлившейся по воде нефти. Адресная доставка лекарств в раковую опухоль и микрокапсулированные препараты тоже не могут обойтись без разработки специальных саморегулирующихся процессов, массово происходящих на наноуровне. Используя наноструктурированные полимеры и углеродные нанотрубки, сегодня пытаются сделать искусственные мышцы и дешевые солнечные элементы. Кстати, именно углеродные нанотрубки по праву могут считаться символом начинающейся нанореволюции.

Основные исторические вехи  

1974 г. — выдан патент на первое устройство молекулярной электроники

1981 г . — изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) 1985 г. — открыты фуллерены

1986 г. — изобретен атомно-силовой микроскоп (АСМ)

1987 г . — создан первый одноэлектронный транзистор

1991 г . — открыты углеродные нанотрубки

1993 г. — в США организована первая нанотехнологическая лаборатория

1997 г . — создано нанотехнологическое устройство на основе ДНК

2000 г. — в США принята Национальная нанотехнологическая инициатива

2002 г . — удалось получить единый механизм, соединив углеродную нанотрубку с ДНК

2005 г. — обнаружено множественное рождение электронов в фотоэлементах из наноточек

2006 г. — произведена нитка и соткан первый образец ткани из углеродных нанотрубок

Молекула фуллерена C60 напоминает футбольный мяч, составленный из правильных пятии шестиугольников Вездесущий углерод

Трудно выделить какое-то особое научное открытие, произошедшее в конце XX века, заставившее правительства промышленно развитых стран срочно пойти на штурм основной технологии XXI века. Пожалуй, именно открытие фуллеренов и углеродных нанотрубок стало ключевым фактором для осознания важности такого рода исследований. Сферические молекулы фуллерена С sub 60 /sub и свернутые в трубочку графитовые плоскости потрясли не только физиков и химиков, но и материаловедов с технологами. Элемент, ответственный за существование жизни, преподнес очередной сюрприз, показав, что и без помощи кислорода и водорода он способен образовывать гигантские молекулы, длина которых в миллионы раз превышает их диаметр.

Сегодня умеют массово выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки длиной сотни микрон. И это при том, что диаметр такого волокна не превышает нескольких десятков нанометров. Растут они на подложке из кремния, словно густой лес, который потом можно «срубить» и сплести в одну длинную нить. Сотрудники Техасского университета в Далласе (The University of Texas at Dallas) из 1 см2 такого «леса» вытягивают несколько метров высокопрочной почти невидимой нити толщиной несколько микрон. Сделанные из нее 20-микронные «канаты» оказались в 5 раз прочнее самых крепких кевларовых нитей такого же диаметра. Пуленепробиваемые жилеты и самолеты из углеродных нанотрубок делать пока еще не начали, но образец материи на миниатюрном ткацком станке сплели и провели разного рода испытания.

Создание материала, на порядок более прочного и легкого, чем сталь, — давнишняя мечта материаловедов и инженеров. И сегодня она уже близка к своему воплощению. Причем, учитывая темпы внедрения полезных для жизни научных открытий, революция в материаловедении не за горами. Углеродные нанотрубки имеют не только уникальные механические свойства, но и необычные электрические. Они бывают с полупроводниковым и металлическим типом проводимости, а значит, используя их, можно делать не только углеродные интегральные микросхемы, но и электрические провода для обычных кремниевых. Сопротивление однослойной нанотрубки не зависит от ее длины, благодаря этому их удобно использовать для соединения логических элементов внутри микроэлектронных устройств. Допустимая плотность тока в нанотрубках много больше, чем в металлических проводах такого же сечения, и в сто раз превышает лучшие достижения для сверхпроводников.