Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Огромную роль нанотехнологий в области создания и использования различных датчиков легко понять, если вспомнить, что механизм действия практически всех используемых на практике химических и биологических датчиков основан на регистрации какого-либо взаимодействия на атомномолекулярном уровне. Вообще говоря, нанотехнология сводится к возможности создавать новые функциональные материалы, устройства и целые системы, а также использовать атомно-молекулярные процессы или физические эффекты для практических целей [79] .

Нанотехнологии можно рассматривать в качестве очередного этапа развития науки, направленного к созданию более мелких, более быстрых и более дешевых материалов и устройств. В свое время стремление к миниатюризации технических устройств привело к развитию микротехнологий (читатель может вспомнить поразительное уменьшение электронных, оптических и механических приборов за последние десятилетия), результатом чего, кстати, стало бурное развитие производства датчиков и измерительных устройств самого разного типа. Следующим, современным этапом процесса миниатюризации стало использование интегральных схем, оптоволоконной техники и так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС). В настоящее время нанотехнологии ставят перед исследователями и производственниками еще более интересные и сложные задачи, связанные с дальнейшим уменьшением масштабов действия и процессов, что обещает существенный прогресс в науке и технологии.

Общая тенденция к уменьшению размеров строительных «блоков» привела науку к использованию в качестве таких элементов отдельных молекул и даже атомов, что означает, кстати, сближение и слияние технологических процессов разного типа. В этой связи стоит отметить, что в настоящее время наблюдается сближение или синтез различных научных дисциплин, общий смысл которого пока трудно уловить (например, мы наблюдаем явное объединение нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий в единое целое). Такое «перекрывание» и наложение наук должно приводить, как говорят физики, к синергическому эффекту, то есть их взаимодействию, усилению и созданию новых возможностей технологического развития.

14.1. Возможности

Интерес к нанотехнологиям возник в результате нескольких фундаментальных научных достижений конца XX века, первым из которых следует считать прямую возможность точной манипуляции отдельными атомами, ставшую возможной после создания так называемых атомно-силовых зондовых (или сканирующих) микроскопов (SPM). Следующим важным фактором развития новой науки стала возможность синтеза или производства в больших количествах наночастиц, или нанокластеров определенного вида (например, серебра или золота). В дальнейшем общее внимание к наноматериалам и устройствам на их основе привлекло то, что новые вещества и структуры проявляли совершенно неожиданные свойства, связанные с квантовыми и поверхностными эффектами. Наглядными примерами таких научно-технических «сюрпризов» стали абсолютно непривычные новые объекты типа квантовых точек с неожиданными оптическими свойствами и т. п.

Другим важным достижением в этой области стал синтез так называемых углеродных нанотрубок (CNT), представляющих собой очень узкие пустые цилиндры, образованные сеткой углеродных атомов. Уже синтезировано множество типов таких однослойных и многослойных CNT, потенциальные возможности которых кажутся совершенно фантастическими. Даже представленные на рис. 14.1 структуры из самых простых однослойных углеродных нанотрубок могут (в зависимости от структуры и точной ориентации атомов углерода) являться либо проводящими (как металлы), либо полупроводниковыми материалами. Учитывая то, что свойства CNT могут дополнительно регулироваться условиями роста, конкретными схемами соединения и т. п., понятно, что они представляют собой новый класс уникальных материалов для полупроводниковой техники вообще и для датчиков в частности. Углеродные нанотрубки находят самое неожиданное применение как в качестве независимых элементов структуры, так и в сочетании с другими, уже известными элементами.

Рис. 14.1. Углеродные нанотрубки могут образовывать множество структур, способными быть и проводниками (металлами), и полупроводниками (рисунок предоставлен Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)

Эти серьезные и весьма перспективные открытия привели к тому, что за очень короткое время (примерно с 1997 по 2003 год) финансирование нанотехнологий многократно увеличилось [80] . Стремительный рост капиталовложений продолжается, и значительную его часть составляют вложения в развитие и производство разнообразных датчиков. По некоторым оценкам, к 2009 году объем рынка датчиков с использованием нанотехнологий может составить около 0,6 миллиарда долларов [81] , а под другим – даже 2,7 миллиарда долларов в 2008 году [82] . Конкретные показатели в данном случае не очень важны, поскольку несомненно речь идет о действительно перспективной и бурно развивающейся отрасли промышленности, связанной с новейшими научно-технологическими разработками.

14.1.1. Неотвратимое объединение

Исторически мы привыкли рассуждать о технологиях, оперируя привычными представлениями о различиях между материалами, устройствами и системами. Между тем развитие науки и техники за последние десятилетия явно свидетельствует о том, что происходит некий процесс сближения (или слияния) различных типов технологий. Например, во многих современных приборах уже сейчас трудно провести границу между оптической и микромеханической частью устройства. Эта тенденция явно расширяется, так как новейшие технологии (особенно в микроэлектронике) все чаще позволяют придавать некоторые требуемые свойства непосредственно в печатных схемах или материалах подложки, то есть «вводить» их внутрь устройства, что размывает по смыслу классические представления о различии между материалом и изготовляемым из него изделием. В так называемых микроэлектромеханических системах (МЭМС) используются весьма сложные и многофункциональные так называемые умные (или интеллектуальные) наноматериалы, которые часто и образуют то, что мы привыкли называть устройством. Как остроумно заметил один из основателей фирмы Nanosys Ларри Бок: «В нанотехнологии следует говорить о сложности не системы, а составляющего ее материала» [83] .

В настоящее время исследователи всерьез задумываются о том, какими новыми терминами и представлениями следует обозначать и описывать, например, процессы и явления, при которых нанометрические структуры (включающие в себя лишь очень небольшое число молекул и электронов) оказываются способны перерабатывать и хранить огромный объем информации. Для записи и получения информации иногда стали применяться методики, которые раньше использовались лишь для описания физического состояния отдельной молекулы (флуоресценция и т. п.) или даже положения отдельных звеньев полимерной цепочки. Эти принципиально новые подходы позволяют доводить плотность записи информации до фантастических пределов (1 триллиона бит на квадратный дюйм), которые не имеет смысла даже сравнивать с плотностью записи на современных магнитных носителях [84] .

Создание реальных технических устройств на этой основе представляет собой очень интересную задачу, но несомненным результатом внедрения новых методов станет массовое производство разнообразных «умных» и крошечных по размерам датчиков с ничтожным энергопотреблением. Процессы широкого внедрения нанодатчиков затронут многие области науки, техники, общественной жизни и т. п. Из наиболее очевидных областей применения можно отметить слежение за текущим состоянием самых разных систем (например, биологических или экологических), развитие космической техники и т. д.

Подготовка производства нанотехнологических датчиков естественным образом разделяется на отдельные задачи или этапы, включающие в себя получение необходимых материалов, изготовление или выращивание на их основе необходимых нанообъектов и, наконец, создание самого специфического датчика в виде конструкции с заданной функциональностью, правильной геометрией и т. п. Три указанных направления исследований (материалы, способы их обработки, создание самих датчиков) теоретически удобно описывать, пользуясь абстрактной трехмерной системой координат, показанной на рис. 14.2. При необходимости этот подход позволяет сводить в единое целое и анализировать разнородные данные по типам используемых материалов, методам обработки или синтеза и конкретным измерениям, осуществляемым датчиками. Положения точек в такой системе отвечают на основные вопросы любого производства (что? как? с какой целью?). Очевидно, что из определенного типа материалов можно изготовить разные виды датчиков, а требуемый параметр можно измерить различными датчиками на основе разных материалов.