Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Нанотехнологии предоставляют множество возможностей для создания высокочувствительных и избирательных датчиков, регистрирующих самые разные виды биомолекул. В настоящее время уже существует технология производства цилиндрических стержней из металлических секций длиной от 50 нм до 5 мкм, получившие название Nanobarcodes. Такие наночастицы формируются последовательным электрохимическим восстановлением ионов металла на подложке из окиси алюминия, и они имеют самое различное применение. В частности, на их поверхность могут быть нанесены аналитические препараты и соединения (например, антитела), позволяющие избирательно регистрировать наличие в среде сложных молекул заданного типа. Схема действия устройств (этот механизм можно назвать наномасштабным «кодированием»), показанная на рис. 14.7, основана на оптическом сигнале, возникающем при избирательном связывании молекул на заданном участке, содержащем требуемые реагенты. Уже сейчас датчики этого типа способны регистрировать наличие молекул ДНК.

Рис. 14.7. Оптическое детектирование биомолекул, избирательно связываемых с антителами на заданном участке наночастиц типа Nanobarcodes

Исследователи из Центра НАСА имени Эймса предложили еще один подход для регистрации молекул ДНК [98] , в котором углеродные нанотрубки диаметром 30–50 нм в огромных количествах (миллионы трубок) располагаются вертикально на поверхности кремниевого чипа или кристалла, как показано на рис. 14.8. На вершины трубок наносятся так называемые «зонды», специфичные к определенным ДНК. При погружении такого чипа в жидкость, содержащую смесь ДНК, происходит связывание соответствующих ДНК на подложке (субстрат) и в растворе (мишень), что регистрируется по изменению электрической проводимости. Метод требует доработки (в частности, доведения чувствительности до уровня техники флуоресцентных меток), однако ожидается, что на его основе удастся создать новые портативные датчики.

Рис. 14.8. Вертикально направленные углеродные трубки на поверхности кремниевого чипа. Молекулы ДНК на концах нанотрубок способны специфически связывать (то есть регистрировать) определенные типы ДНК или другие вещества в анализируемом растворе (иллюстрация предоставлена Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)

14.3.4. Датчики массового и военного применения

В настоящий момент мы являемся свидетелями интересной картины все более широкого практического распространения наноматериалов и устройств в окружающем мире, наглядным примером чего может служить производство и использование специализированных датчиков SnifferSTAR. Это наноустройство является не только одним из первых представителей целого поколения новых датчиков, но и демонстрирует уникальные возможности новых технологий, так как объединяет в себе два совершенно разных устройства: наносистему сбора и концентрирования изучаемых веществ и так называемую лабораторию на чипе (lab-on-a-chip), способную осуществлять быстрый и эффективный анализ собираемых образцов [99] . Как показано на рис. 14.9, устройство легко монтируется на миниатюрных беспилотных летательных аппаратах и обладает целым набором преимуществ, позволяющих широко использовать его для обнаружения в атмосфере различных соединений и веществ. Устройства такого типа могут быть очень полезны при решении различных задач, связанных с обороной и общественной безопасностью (детектирование боевых и отравляющих веществ, быстрый анализ экологической обстановки и т. п.).

Рис. 14.9. Использование химических нанодатчиков в сочетании с миниатюрными беспилотными летательными аппаратами. Видеоматериал предоставлен Национальной лабораторией Скандия (Альбукерке, штат Нью-Мексико) и фирмой Lockheed Martin Corporation

К настоящему моменту определился довольно широкий круг областей науки, техники и общественной жизни, в которых использование нанодатчиков представляется перспективным, и работы по их внедрению уже начаты. К этим отраслям следует отнести транспортные и коммуникационные системы всех видов (включая космические), городскую инфраструктуру, системы, связанные с медицинским и экологическим мониторингом (контроль состояния, учет и т. п.), робототехнику. Возможности массового использования нанодатчиков постоянно растут, не говоря уже о том, что возрастает объем и разнообразие выпускаемых наноматериалов. Производящие новые материалы фирмы крайне заинтересованы в коммерческих и военных приложениях своей продукции, а массовое производство датчиков позволяет создать весьма интересный и важный сектор рынка.

В целом можно констатировать, что внедрение нанотехнологий в промышленное производство датчиков началось и это направление развития новейших технологий является весьма перспективным. Разработчики аппаратуры добились больших научных успехов, однако для создания настоящего коммерческого рынка им предстоит преодолеть ряд серьезных препятствий, связанных как со стоимостью используемых материалов и создаваемых устройств, так и с повышением их надежности. Кроме того, конструкторам следует обратить внимание на придание нанодатчикам соответствующей формы и их совмещение с уже существующей техникой. В ближайшие годы, по-видимому, процесс производства и внедрения нанодатчиков может приобрести массовый характер, и они начнут использоваться для контроля самых малых и распространенных объектов. Некоторые специалисты мечтают о введении нанодатчиков в отдельные клетки организма и т. п., другие ставят перед собой очень серьезные научные задачи, надеясь, что датчики нового типа позволят им количественно и качественно изучать процессы молекулярного взаимодействия, наблюдать кинетические явления на атомно-молекулярном уровне и т. д. В практической жизни можно ожидать, что очень крупные системы будут снабжаться огромным числом встроенных или вмонтированных нано– и микродатчиков, которые позволяют, с одной стороны, отслеживать состояние отдельных материалов или элементов системы, а с другой – анализировать общее состояние системы и эффективность ее работы.

Обобщая сказанное, хотелось бы подчеркнуть, что нанотехнологии представляют специалистам в области создания датчиков, сенсоров и всех других контрольно-измерительных приборов и элементов уникальные (можно даже сказать, исторические) возможности весьма существенного повышения эффективности уже существующих устройств, а также создания множества новых разнообразных датчиков для промышленного и коммерческого внедрения. В заключение следует указать, что эта глава написана на основе статьи «Нанотехнологические датчики: возможности, реальные достижения и приложения», опубликованной в ноябрьском номере (2003 год) журнала Sensors (www.sensorsmag.com).

Глава 15 Микроэлектроника

Вот уже несколько десятилетий микроэлектроника является одной из главных движущих сил развития науки и промышленности, обеспечивая непрерывный рост возможностей и эффективности вычислительной техники, а также создание огромного разнообразия все более дешевых и коммерчески привлекательных товаров. Характерной особенностью ее развития является знаменитый закон Мура (предложенный еще в 1965 году Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel), в соответствии с которым плотность монтажа транзисторов на чипе должна возрастать примерно вдвое каждые два года. Этот закон давно стал символическим «метрономом», определяющим темпы развития микроэлектроники, и публика настолько привыкла к его существованию и справедливости, что некоторые экономисты даже используют его при оценках роста производства конкретных полупроводниковых товаров или объема будущих секторов рынка, связанных с коммерческими изделиями на их основе.

При всем уважении к этому закону, необходимо признать, что эта парадигма развития уже исчерпала себя, а развитие транзисторов и других полупроводниковых устройств в соответствии с законом Мура упирается в ограничения физических законов природы. Кривая, описывающая параметры микроэлектронных устройств, неизбежно выходит на пологую часть так называемой S-образной кривой роста, а единственным (и очень удачным) выходом из создавшего положения представляется развитие нанотехнологий, способных обеспечить дальнейший прогресс вычислительной техники. Однако следует помнить, что основу промышленности составляют огромные компании, имеющие собственные корпоративные интересы и обладающие гигантскими производственными мощностями, стоимость которых трудно представить. Несмотря на всеобщую заинтересованность в новых технологиях, такие корпорации никогда не станут экспериментировать с инновациями, то есть вкладывать большие деньги в развитие нанотехнологий, пока не получат убедительных доказательств их действенности и способности приносить прибыль.