Знание-сила, 2008 № 08 (974)

В основе нанонауки лежит идея, высказанная в канун 1960 года выдающимся физиком ХХ века, одним из создателей квантовой электродинамики, нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. В статье «Внизу полным-полно места. Приглашение в новый мир физики» он поставил вопрос о совершенных материалах. В самом деле, прочность, упругость, способность к химическим превращениям определяется прежде всего дефектами, примесями. Например, химически чистое железо не ржавеет. Но можно ли сделать совершенный материал? Можно, если «собирать» его атом за атомом на молекулярном уровне.

Расчеты и эксперименты показывают, к примеру, что углеродные нанотрубки (играющие в нанонауке примерно ту же роль, что и муха дрозофила в генетике) в 100 раз прочнее стали и в 6 раз легче ее. Это, например, позволяет думать о таких проектах, как космический лифт. Точка на расстоянии примерно в 36 тысяч километров от поверхности Земли вращается с той же угловой скоростью, что и сама Земля (геостационарная орбита). Имея трос такой прочности, можно просто, как на подъемнике, поднимать грузы на орбиту. Чтобы эта сказка стала былью, надо иметь еще большие конструкции (порядка 100 тысяч километров). Но ученые уверенно продвигаются в этом направлении. Например, уже существуют (и рассчитываются в нашем институте) тросовые конструкции, в которых космические аппараты связаны тросом длиной 200—300 километров, и это придает таким объектам многие важные и полезные свойства. Однако мы отвлеклись.

Рис. 1

Идея Р. Фейнмана состояла в том, чтобы идти «сверху вниз». Создать макромашины, которые создадут меньшие машины, те еще меньше, наконец, возникнут микромашины, последние сделают наномашины, а те уж будут оперировать отдельными атомами, располагая их так, как мы сочтем нужным. Эта идея в исходном варианте была довольно быстро отвергнута как неосуществимая. Не удается построить такую иерархию машин. С уменьшением масштабов растет соотношение поверхность/объем и поверхностные эффекты начинают играть решающую роль. Например, кусок железа, разрезанного даже не на слишком мелкие кусочки, просто горит в воздухе.

Тем не менее в 80-х годах Г. Биннигом и Г. Рорером был создан удивительный прибор — сканирующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия по физике 1986 года). Он позволил не только наблюдать отдельные атомы, но и оперировать с ними. То есть путь «сверху вниз», оказалось, можно пройти! И это возродило нанотехнологические надежды.

К новому 2000 году фирма IBM подарила сотрудникам микрофотографию, где атомами ксенона на никеле были выложены буквы «IBM» и цифры «2000» (рис.1).

Кроме того, существующие технологии создания материалов и объектов подошли к естественному пределу. Напомним шкалу масштабов: 1 нм = 10 ⁹ метра, 1 мкм = 10 ⁶ метра; атом кремния (в кристаллической решетке) — 0,24 нм; молекула воды — 0,37 нм; углерода — 100 нм; клетка 2—20 мкм; волос 5—100 мкм.

С 1950-х годов современная микроэлектроника развивается в соответствии с эмпирическим законом, предложенным одним из основателей фирмы Intel Гордоном Муром: степень интеграции элементов микросхем на кристалле удваивается каждые два года. Эта степень определяет быстродействие и другие ключевые параметры ЭВМ. Естественно, эта геометрическая прогрессия когда-нибудь закончится. Производители стремятся, чтобы это произошло попозже, и трудятся под лозунгом «More Moore!» («больше Мура!»), однако технологический предел для современных подходов — 30 нм. И дальнейшее уменьшение ведет нас в мир наномасштабов.

Атом очень мал, а чтобы иметь значимые количества вещества, атомов надо очень много. И укладывать их один за другим «сверху-вниз» с помощью электронного микроскопа не получится. Это будет слишком долго. Поэтому основной проблемой, главным научным вызовом является поиск способов, позволяющих двигаться «снизу-вверх», и ключи к этому — самоорганизация, самоформирование, самосборка. Иными словами, должны быть созданы такие условия (определить которые предстоит исследователям), чтобы атомы сами собирались в желаемые структуры. Теория самоорганизации или синергетика (дословно — теория совместного действия) развивается в мире более 40 лет. В этой области присуждались Нобелевские премии — в 1977 году Илье Пригожину и в 1967 году Манфреду Эйгену.

Работы по синергетике научной школы член-корреспондента РАН С.П.Курдюмова, возглавившего в свое время ИПМ, получили мировое признание.

Здесь есть и глубокие идеи, и большие научные достижения, уже воплощенные в ряде технологий.В России с 2002 года в издательстве URSS выпускается серия «Синергетика: от прошлого к будущему», в которой вышло около 40 книг на русском и испанском языках. Большой интерес вызвала книга этой серии И.П. Суздалева «Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов», автор которой принадлежит к научной школе академика Ю.Д.Третьякова.