Нанотехнология: будущее с точностью до атома

 

Нанотехнология по праву считается очень перспективным направлением исследований, которое активно поддерживается и щедро финансируется на государственном уровне. И все же, чтобы сделать эту область делом всей своей жизни, нужно знать больше. Попробуем разобраться, чем уникальны нанообъекты помимо своих размеров; почему именно нанотехнология рассматривается как ключ к небывалым открытиям будущего и кому повезет преуспеть в этих исследованиях.

 

 

Калейдоскоп в стиле нано   Космический лифт впервые предложил создать еще К.Э. Циолковский в 1895 г. Это устройство представляет собой кабель длиной 36 тыс. км, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли, по которому можно будет доставлять до 20 т грузов каждые 3 дня. С приходом эры нанотехнологии мечта сможет стать реальностью уже через 12–15 лет. Прочный и легкий трос будет создан с использованием углеродных нанотрубок.   Регенерация отмирающих клеток с помощью нанотехнологии может обеспечить человеку бессмертие. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Будет достаточно наложить их на рану, чтобы они сами провели анализ крови, подобрали необходимые лекарства и впрыснули их в кровь.   Камуфляж-невидимку для своих солдат планирует создать правительство США к 2018 г. Он будет сделан из наноматериала, содержащего миниатюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Датчик считывает «вид сзади» и транслирует его на «экран» спереди, и наоборот – изображение перед человеком передается на его спину. Поэтому наблюдатель видит те объекты, которые находятся за солдатом, с какой стороны ни посмотреть. Таким образом сам обладатель костюма невидим!

 

Долгое время наномир оставался неизученным. Атомная физика занималась свойствами отдельных атомов: начиная от строения ядра и заканчивая разработками ядерного оружия и атомной энергетикой. Физика конденсированного состояния успешно рассматривала вещества с неограниченным количеством атомов – любые кристаллические и аморфные твердые тела, жидкости и т. д. Прорыв в исследовании нанообъектов наступил в начале 80-х годов XX века, после изобретения Гердом Биннингом и Генрихом Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Появилась возможность не только наблюдать нанообъекты, но и создавать их «снизу вверх», складывая из отдельных атомов, как из кубиков.

 

Ученые убедились, что наноструктуры, хоть и являются крохотными фрагментами твердых тел, но обладают новыми свойствами. Например, обычное золото в форме массивного слитка или тонкой цепочки можно расплавить при температуре 1063° С. Тогда как наночастица золота размером 5 нм плавится при температуре менее 800° С, а 2 нм – ниже 300° С. Наноразмер также изменяет магнитные, полупроводниковые и многие другие характеристики привычных веществ.

 

Секрет этих «превращений» кроется в особой структуре наночастиц. Так, в массивных веществах большая часть атомов находится внутри кристалла и делит свой заряд с «соседями». Напротив, в самой маленькой наночастице кубической формы, состоящей из 13 атомов, лишь один атом располагается в центре, а все остальные (ни много ни мало 92% от общего объема) находятся на поверхности. Поэтому каждая наночастица несет колоссальный избыток энергии, придающий ей уникальные особенности, которые отсутствуют в масштабах «ньютоновской физики». Задача нового поколения ученых – нанотехнологов и наноинженеров – изучить удивительные свойства наноструктур и создать на их базе новые материалы и устройства.

 

 

 

 

— Нанотехнология – молодая наука, но для нового поколения исследователей уже готов фундамент знаний, возведенный их предшественниками. На XII Международном экономическом форуме в Санкт-Петербурге в июне 2008 г. на стенде государственной корпорации «Роснанотех» было представлено более 80 нанотехнологических разработок, сделанных 50 научными коллективами из 18 регионов России. Среди самых впечатляющих экспонатов — сверхпрочные волокна, созданные с использованием нанотехнологий: нити толщиной меньше миллиметра способны выдержать четыре 24-килограммовые гири! Затем, светодиоды, отличающиеся ударной и вибрационной устойчивостью, экологической чистотой, потребляющие в десять раз меньше энергии и имеющие в сто раз большую надежность, чем традиционные лампы накаливания. Наконец, химические препараты, способные не только очищать воду от примесей, но и улучшать ее качество за счет введения специальных нанодобавок.

    Так что актуальными задачами ближайшего будущего стоит назвать создание новых композитных материалов на основе углеродных нанотрубок и разработки для энергоэкономики и водородной энергетики. Кроме того, очень перспективно создание наноразмерных устройств. Например, компания Intel уже выпускает процессоры по техпроцессу 45 нм и работает над техпроцессом 32 нм. 

   В числе важнейших перспективных исследований Российской академии наук – разработки на основе нанобиотехнологией. Начиная от создания нанобиосенсоров для нужд медицины и криминалистики до получения нанолекарств против раковых опухолей, нановакцин от туберкулеза, СПИДа и гепатита. А также трансгенезис и нанобионика, призванные создать биоматериалы для замены человеческих органов и компонентов крови.

 

 

— В столичных вузах открыты две специальности: «Нанотехнология в электронике» и «Наноматериалы». Первая преподается в Московском государственном институте электронной техники (МИЭТ), у нас, в МИРЭА, а также в Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ). Стать специалистом по наноматериалам предлагает Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ), Московский государственный институт стали и сплавов (МИСиС), Московский энергетический институт (ТУ). Сильный преподавательский коллектив работает на факультете наук о материалах в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, где активно развиваются связи с исследователями из зарубежных университетов. Во всех этих вузах готовят высококлассных специалистов, от деятельности которых зависит будущее российской нанотехнологии. Если в этом году МИРЭА выпустил 15 нанотехнологов, то на первом-втором курсах уже занимаются группы из 30 человек. Из первого выпуска четыре человека рекомендованы в аспирантуру, а два из них – командированы к ведущим ученым Европы. С 2007 года на специальность «Нанотехнология в электронике» в МИРЭА набирают группы с углубленным образованием в области фундаментальных наук и двумя иностранными языками.

   Постепенно нанотехнология проникнет во все отрасли народного хозяйства. Потребуются не только «разработчики», но и высококвалифицированные «пользователи». Со временем специализации с нанотехнологическим уклоном должны появиться в строительных, экономических и других технических вузах. В перспективе более 50% выпускников технических специальностей будут работать в областях, где применяются наноматериалы и нанотехнологичные устройства. Таким образом знания в области нанотехнологии должны превратиться из привилегии избранных во всеобщую грамоту.

 

 

— Нанотехнология – междисциплинарная наука. Наряду с глубокими знаниями по математике и физике потребуется серьезная подготовка по информатике, химии, экологии и биологии. Среди общепрофессиональных дисциплин: физика конденсированного состояния и квантовая механика, физикохимия наноструктурированных материалов, электротехника и электроника, методы математического моделирования и основы технологии материалов, а также квантовая и оптическая электроника. Недаром при поступлении в МИРЭА на факультет электроники требуется сдавать письменный экзамен по физике. На специальности «Нанотехнология в электронике» студенты изучают физику полупроводников и низкоразмерных систем, материалы и методы нанотехнологии, элементы и приборы наноэлектроники; компьютерное моделирование, расчет и проектирование наносистем, а также биомедицинскую нанотехнологию. Тогда как на «Наноматериалах» – физико- химию наночастиц и наноматериалов, процессы на поверхности раздела фаз; процессы получения наночастиц и наноматериалов и др.

 

 

— Конечно же с практик! Начиная с первого курса, студенты посещают нашу базовую кафедру нанотехнологий при Центре естественно-научных исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН. Большинство выполненных здесь дипломных работ посвящено нанобиомедицине. Например, исследуется лечение раковых опухолей с помощью гипертермии или посредством магнитных наночастиц. Впрочем, возможности Центра гораздо шире и вскоре появятся студенческие работы и по другим направлениям. В МИРЭА организованы «Наноцентр» (центр по созданию наноматериалов и нанодиагноситке изделий микроэлектроники) и Учебно-научное объединение «Электроника». В каждом из этих подразделений студенты работают на современных приборах под руководством увлеченных преподавателей, а на старших курсах и самостоятельно. Например, на кафедре теоретических основ оптоэлектроники можно услышать «голоса» отдельных клеток живого организма и по тональности различить, какие клетки здоровы, а какие больны. На кафедре химии во время лабораторной работы студенты получают наночастицы золота и серебра, и должны рукой переместить их точно на несколько нанометров. Все эти нанотехнологические чудеса ежедневно наполняют студенческую жизнь, чтобы разбудить творческий талант будущих исследователей. Поскольку именно этому поколению предстоит совершить самые громкие открытия в сфере нанотехнологии.