Знание-сила, 2008 № 08 (974)

Однако... почти все, что мы знаем о самоорганизации, относится к макро, — очень немногое к микромасштабам. Механизмы самоорганизации на наномасштабах предстоит изучать в натурных и вычислительных экспериментах, выяснять механизмы, строить теории. Это очень «неудобная» область. Это уже не обычные процессы, к которым мы привыкли в макромире, но и не объекты атомной физики, которые почти век изучает квантовая механика. Это промежуточная область (когда-то все это называли мезофизикой от «мезо» — средний), в которой многие наблюдаемые эффекты и результаты экспериментов продолжают удивлять. И очень трудно оценить время и усилия, необходимые для того, чтобы здесь возникли понимание и ясность. А ведь когда речь идет о проекте, о технологиях, то тут, как в анекдоте про аспиранта: «Думать некогда, работать надо!» Да и специалистов по синергетике как-то нанотехнологи и менеджеры этой программы покуда не беспокоят. Видимо, пока имеет место стадия «неразберихи».

Другое сомнение связано с кадрами. Я имею честь работать на кафедре прикладной математики Московского физико-технического института, базой для которой является ИПМ. Уже несколько лет на кафедре работает специализация, готовящая исследователей по «вычислительной нанофизике», которую возглавляет известный специалист в этой области Г.И. Змиевская. И это не случайно — около пяти лет в ИПМ работает общемосковский семинар «Математическое моделирование нанопроцессов и нанотехнологий» под руководством директора ИПМ член-корреспондента РАН Ю.П.Попова. Направления, которые предлагаются студентам этой специализации, впечатляют — нанооптика, магнитные наноструктуры, наноструктурирование поверхностей, плазменные источники излучения для наноэлектроники, спинтроника, супервычисления для технологического расчета наноструктур. Признаюсь, узнав о нанотехнологической инициативе России, я порадовался за своих коллег. Их дальновидность и энергия позволили учить ребят тому, что понадобиться завтра и послезавтра. Очень хотелось, чтобы эти люди проснулись знаменитыми — они придумали программы, разобрались, чему и как надо учить, осмыслили ситуацию. Но прошел месяц, за ним второй и третий. И студентов на этой специализации по-прежнему остается трое.

Да и специалистов по математическому моделированию таких процессов, надо признать, вниманием не балуют. А напрасно: расчеты, которые здесь требуются, очень близки к переднему краю вычислительной науки. И делать их могут пока немногие. Одним словом, цели пока не определены и движение к ним пока не организовано.

Можно ли двигаться без всего этого? Можно! Символом нанотехнологий является молекула фуллерена (рис.2). Она по своей геометрии представляет обычный футбольный мяч, сшитый из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Это вещество было названо в честь американского архитектора и инженера Бакминстера Фуллера.

Рис. 2. Молекула фуллерена

Удивительная геометрическая структура приводит к замечательным физическим свойствам. Эти молекулы обладают очень большой прочностью: они не разрушаются, даже сталкиваясь с преградой со скоростью 104 метра в секунду. Это позволяет использовать их в качестве смазки. С другой стороны, их геометрия дает возможность с помощью структур такого типа упаковать отдельные атомы или молекулы, что может иметь принципиальное значение для микробиологии и медицины. Кроме того, они могут быть основой для высокотемпературных сверхпроводников.

Фуллеренов достаточно много в природе, они содержатся в газовой саже, в чугуне. Но, чтобы их можно было использовать, рассматривать с точки зрения технологии, надо иметь возможность производить их много и дешево. Это научились делать, испаряя графит в гелиевой атмосфере. Парадоксальный, неожиданный ход исследователей, потребовавший многих усилий и удостоенный Нобелевской премии по химии, присужденной в 1996 году Р. Смоли, Р.Керлу и Г. Крото. Но не очевидно, что следующие шаги не будут даваться так же трудно.

В нанонауке иногда открываются двери в сказку. Но нужно дать себе труд увидеть эти двери и зайти в них. Вечной мечтой, сказочным объектом была «шапка-невидимка» или «эльфийский плащ» в западной традиции. В 1968 году профессор Московского физико-технического института В.Г.Веселаго опубликовал в «Успехах физических наук» статью о гипотетических материалах, у которых диэлектрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость μ меньше нуля. Скорость электромагнитной волны пропорциональна √εμ, и если оба множителя под корнем отрицательны, то волна вполне может распространяться. Такие «левые среды» обладают удивительными свойствами. Помните из школы закон преломления sinα/sinβ = n1/n2, а и в — углы падения и преломления, nj и n2 — показатели преломления? Так вот, для левых сред этот показатель может быть отрицателен. Это означает, что, комбинируя обычные и левые материалы, мы можем заставить лучи огибать предмет, то есть создать шапку- невидимку (рис. 3).