Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

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.

Рис. 14.2. Схематическая связь между материалами, процессами их обработки и создаваемыми на этой основе датчиками

14.1.2. Методы обработки материалов

Читатель наверняка знаком с общим делением технологических процессов на нисходящие (сверху вниз) и восходящие (снизу вверх), поэтому мы не будем давать лишних пояснений. В последние десятилетия нисходящие технологии непрерывно развивались, что и привело к созданию микротехнологий, естественным образом переходящих в нанотехнологии. В настоящее время наиболее развитые технологии этого типа используются в электронике и позволяют создавать очень сложные интегральные схемы, используя литографию, травление и технику осаждения. Постепенно совершенствуя эти классические технологии, специалисты микроэлектроники добилась фантастических успехов. Достаточно упомянуть, что толщина «проводов» в современных микросхемах уже достигла 100 нанометров и продолжает уменьшаться. Миниатюризация сверху вниз используется и при создании весьма популярных сейчас МЭМС, причем очень часто новые устройства используются именно для дальнейшей миниатюризации деталей (подобно тому как на обычном токарном станке создаются детали для сборки значительно более мелких устройств).

Нанотехнологии вообще возникли в результате совершенствования и развития методов и процессов сверху вниз, которые дошли до своего практического предела, когда предметом манипуляций стали отдельные атомы и молекулы. Стоит вспомнить, однако, что в природе существуют и разнообразные восходящие (снизу вверх) процессы и методики, наиболее распространенной из которых является молекулярная самосборка (самоорганизация), когда при определенных условиях атомы и молекулы сами объединяются в более крупные структуры [85] . Это заставило ученых и технологов задуматься о возможности организации производства на основе самосборки или так называемой направленной сборки на атомномолекулярном уровне [86] . Регулирование таких процессов является исключительно сложной научно-технической задачей, поскольку требует от исследователя умения «выращивать» вещество требуемого вида в геометрически правильной форме и в заданных местах. Существует и возможность сочетания нисходящих и восходящих технологий, что дает проектировщикам дополнительные возможности для создания материалов, устройств и инструментов. Кроме того, при создании новых видов датчиков могут комбинироваться технологии разного уровня (например, микро– и нано-) или типа.

14.1.3. Разнообразие наноматериалов

Использование наноматериалов и структур предоставляет конструкторам много принципиально новых возможностей для создания датчиков, что обусловлено, прежде всего, следующим важным обстоятельством, имеющим прямое отношение к нанотехнологиям вообще. Строго говоря, большинство практически используемых датчиков (особенно химических и биологических) по своему назначению должны осуществлять две (в сущности, разные) задачи, а именно – выявлять в окружении молекулы определенного типа и каким-то образом преобразовывать полученную информацию (то есть сам факт выявления) в некий сигнал, передаваемый или регистрируемый достаточно просто и быстро. Нанотехнологии позволяют исследователям совершенно по-новому решать обе эти задачи, что предоставляет разработчикам неожиданные возможности, принципиально превосходящие те, которые предоставляли МЭМС и другие типы микродатчиков.

В связи с этим стоит отметить и то, что в нанотехнологиях пока (в силу молодости новой науки!) используются в основном лишь химически однородные типы материалов или структур. Ситуацию можно уподобить еще недавно существовавшей в обычном материаловедении, до появления так называемых композиционных материалов, представляющих собой сочетание разнородных физико-химических компонент или веществ (типа армированных стеклопластиков и т. д.). Нет никаких препятствий к созданию, изучению и использованию в будущем различных сочетаний разнородных наноматериалов. Как и в случае обычных, объемных материалов и веществ, мы можем получить большое число новых материалов (зачастую с неожиданными характеристиками), просто комбинируя имеющиеся вещества. Разумеется, число комбинаций стремительно увеличивается при создании композиций из возрастающего числа веществ, однако даже для двух типов материалов количество возможных сочетаний выглядит внушительно, что и показано на рис. 14.3. Увеличение числа используемых веществ одновременно создает новые возможности для физико-химической обработки материала и его потенциального применения, поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы мы станем свидетелями создания разнообразных композиционных материалов, разрабатываемых специально для производства нанодатчиков с новыми функциями и возможностями.

Рис. 14.3. Возможные бинарные сочетания различных нанообъектов при создании композиционных материалов. В верхнем ряду представлены так называемые нульмерные (0-D) наноматериалы, во втором – одномерные (1-D), в третьем – двухмерные (2-D), а в нижнем – трехмерные (3-D). Сочетания этих объектов позволяют теоретически говорить о 28 возможных типах композиционных материалов

14.1.4. Новые типы инструментов и приборов

Отдельного рассмотрения заслуживает следующий аспект развития нанотехнологий вообще и датчиков в частности. В настоящее время благодаря развитию и применению новейших физических методов (типа синхротронного излучения и ядерного магнитного резонанса) можно легко установить структуру многих сложных молекул. Проблема состоит в том, что простое знание об атомарной структуре на наноуровне является зачастую недостаточным, поскольку для исследований (и для работы датчиков в особенности) необходимо оценить степень взаимодействия атомов и обеспечить преобразование полученной информации в выработку соответствующего сигнала, вызывающего срабатывание датчика, и т. д. Определение сил взаимодействия на атомно-молекулярном уровне является очень сложной задачей, поскольку их пока невозможно определить экспериментально, а можно лишь рассчитать, используя весьма сложные программы и алгоритмы. Поэтому новейшие типы нанотехнологических датчиков могут работать лишь при условии существенной «поддержки» в виде достаточно мощных компьютеров с соответствующим программным обеспечением. Уже сейчас в нанонауке широко используются вычислительные методы молекулярной динамики, квантовой химии и т. п., а в будущем такие методы могут стать важным средством создания разнообразных датчиков, основанных на использовании нанотехнологий [87] .

14.2. Реальное состояние исследований в настоящее время

Всеобщий ажиотаж относительно блестящих перспектив нанотехнологий не должен скрывать того простого факта, что разработка и внедрение нанодатчиков требуют от исследователей решения еще очень многих сложных проблем. Некоторые из них относятся к конкретным научным задачам (в физике, химии, биологии и т. д.), а некоторые – к техническим, производственным и организационным. Например, любое использование наноустройств подразумевает их совмещение с уже существующими макроскопическими устройствами и приборами для обеспечения контроля над потоками вещества, энергии и информации. Даже простая калибровка нанодатчиков (или наноустройств вообще) представляет собой трудную задачу, поскольку речь идет об анализе очень небольшого количества измеряемых или реагирующих веществ. Кроме того, нельзя забывать, что общие размеры новых датчиков будут определяться не самими измерительными структурами и устройствами (которые при использовании нанотехнологий являются пренебрежимо малыми), а размерами сопутствующего и вспомогательного оборудования, в которое по-прежнему должны входить какие-то запоминающие и вычислительные устройства, радиочипы и (что особенно важно!) источники питания и антенны. С этими проблемами уже давно сталкивались разработчики микродатчиков, и использование нанотехнологий в некоторых случаях лишь усложнило их решение и показало сложность возникших задач.