# Нановведение в нанообласть

Леонид Александрович Ашкинази

Версия 2.2 (весна 2011)

Нановведение

При самом поверхностном анализе в нано-тематике можно выделить два подхода. Первый - исторический: нано- как развитие микро-. Например, осевая линия развития микроэлектроники - миниатюризация - неизбежно приводит в нано-область. При движении в этом направлении закономерно изменяются методы расчета и исследования, конструкторские и технологические приемы, параметры и области применения. Признаком тренда области в этом направлении является сначала появление отдельных оригинальных публикаций в рамках конференций и журналов, позже - появление специализированных конференций и журналов, затем - обзоров, наконец - книг. Причем вся эта эволюция сначала происходит в рамках отдельных подобластей (нанохимия, наноэлектроника и т.д.), причем в разных областях - с разной скоростью, а потом отчасти в результате обмена идеями и естественного стремления к обобщению (как форме понимания) происходит некоторая конвергенция и формулирование общих положение. Этот процесс ускоряется требованиями техники - ибо нанотехнологии и вообще нанотехнике безразлично, какая из нанонаук (нанофизика, нанохимия и т.д.) принесет свои результаты и методы.

Второй подход старается с самого начала выделить некоторые новые общие закономерности, методы. При этом эти методы во многих случаях заимствуются из других областей, причем на первый взгляд аналогии и связи могут показаться притянутыми или искусственными, но впоследствии такой подход может оказаться и плодотворным.

Начнем с обзора нано-области в целом, ибо концентрация мусора здесь больше, чем в других местах - как и во всякой новомодной области. Открыв любое издание, пытающееся немного поговорить о чем-то научном, мы натыкаемся на слова с приставкой "нано-". Нанотехнологии, нанотехника, наномедицина и т. д. Посулы то излечения от всех болезней, то вечной жизни, то, естественно, страшилки о порабощении человечества разумными вирусами. Половина материалов начинается со ссылки на великого Ричарда Фейнмана, который в 1960 году что-то предсказал, три четверти статей кончаются призывом к выделению бюджетных денег на исследования. Что здесь - очередной самоподдерживающийся процесс самопиара, а что - действительно нечто важное и интересное?

Физические принципы для наноразмеров ничем не отличаются от таковых для миллиметров и километров. Но рассуждая о физике и придумывая конструкции, мы в некоторой мере опираемся на бытовой, жизненный опыт. В нанообласти у нас такого опыта нет, а физические принципы проявляются иначе, нежели в макромасштабах - их соотношения изменяются. Иначе происходит теплообмен излучением и износ, возникает бесконтактное "трение" (касательные силы), иначе течет жидкость в капиллярах (проницаемость может увеличиться на несколько порядков), поверхностные силы начинают преобладать над объемными, а электростатичекие над электромагнитными, термические флуктуации начинают сказываться на механическом движении. Поэтому деятельность в нанообласти требует хорошего знания физики, причем не "знания в принципе", а применения физики "в реальном времени", по ходу рассуждения.

Метрологический аспект

Когда употребляется приставка нано-, речь идет о чем-то маленьком: это означает 10-9 чего-то - метра, секунды, ампера и т. д. Чаще всего имеется в виду маленький размер. Поскольку человек имеет размер, как сказал бы физик, порядка метра, поэтому все, с чем Homo sapiens имеет дело, должно быть тех же размеров. Калькуляторы в наручных часах не могли стать ничем, кроме игрушек - не все носят с собой зубочистки, чтобы нажимать на кнопки. А если человек в миллиард раз больше чего-то, то этом "чем-то" человек может пользоваться, только если его будет много. Это - принципиально важный тезис, втихомолку осознаваемый большинством тех, кто работает в данной области, но недоступный журналистам. Зато их язык богато украшен словами-заклинаниями: стратегический, приоритетный, новейший, национальный, четко заданный, сверхпрочный, сверхточный, практически достигнутый, глобальный, ошеломляющий, фундаментальный, и т. д.

Параметры нанообъектов могут быть и "нано" - это размеры и то, что с ними связано - вес, ток, магнитный момент и другие. Но могут они иметь и обычную величину - например, работа выхода, всякие разности потенциалов и другое. В расширительном толковании под нанометрологией можно было бы понимать измерение любых малых величин, или обычных значений параметров нанообъектов, но реально сегодня называют нанометрологией измерение только нановеличин нанообъектов, или даже еще уже - их размеров, которые по определению "нано". Наиболее примитивный подход - оговорить размер объектов, к коим можно обратиться "Эй, ты, нано! Как поживаешь?" Второй подход, более серьезный - оговорить, что наночастицы - это частицы, параметры которых заметно отличаются от параметров массивного материала. Подход этот не хорош тем, что иногда нам важны параметры не отдельных частиц, а их ансамбля. Например, в полупроводниковых приборах со сверхрешетками параметры материала отдельных слоев потребителю прибора не важны (а важны разработчику!) Кроме того, при сближении двух вполне массивных образцов на малое расстояние теплопередача излучением начинает происходить не так, как на макроскопических расстояниях, и вдобавок возникает бесконтактное трение

http://ufn.ru/ru/articles/2007/9/a/references.html

http://www.ras.ru/FStorage/Download.aspx?id=de06a611-fd2f-463d-b623-9ac5b09ddccc

Так что с определением, как всегда, не вполне определенно.

С точки зрения практической метрологии ситуация понятна - нужны методы измерения малых размеров и эталоны (меры) геометрических размеров соответствующего диапазона. Нормативными в этой области являются ГОСТы Р. 8.628-2007, 8.629-2007 и 8.630-2007, имеющиеся в Сети. С состоянием работ в нанометрологии можно ознакомиться по публикациям в журналах (см. ниже) и по статье

http://www.photonics.su/pdf/1_2010/1825.pdf


Как сделать много

Итак, надо из "нано" сделать что-то такое, что можно показать начальству, которое любит облачаться в белые халаты и строительные каски, посещая коровники и стройки, которые перед визитом мыли с мылом и окружали спецназом. Есть несколько способов. Два из них философы назвали бы их качественным и количественным, а экономисты - интенсивным и экстенсивным. Первый - это увеличение производительности устройства для изготовления (станка) и увеличение количества станков. По этому пути идет человечество, изготавливая гайки, винты и пули. Второй способ - это создать нечто такое, что будет одновременно производить и целевой продукт и себе подобных. Третий способ - создать саморазмножающийся станок, который выпускает и винты, и новые работоспособные станки. Заметим, что одного процесса самовоспроизводства недостаточно - станок должен выдавать продукцию.

Идеальный пример второго способа производства одинаковых объектов в большом количестве - биологическое оружие. Боевая бактерия (размножающийся станок), попав в питательную среду - организм человека, - начинает производить и токсин, который является целевым продуктом, и новые бактерии - станки для производства токсина. Причем при разработке биологического оружия в СССР ставилась и была решена (на языке Совдепии - "успешно решена") задача достижения уровня вирулентности в одну бактерию, то есть одна бактерия, попав в организм, должна была "успешно инициировать" процесс. Мне это говорили - и говорили с нескрываемой гордостью.

Вот еще способ: групповые технологии, когда один, и не самовоспроизводящийся, а обычный станок производит одновременно много объектов. По этому пути пошла полупроводниковая техника, именно этой идее мы обязаны компьютерами и всему, что с ними связано, - попробуйте без групповых технологий наклепать миллиарды транзисторов на чипе. Итак, мы пришли к трем типам производства - индивидуальному, групповому и самовоспроизводству. По эффективности индивидуальное производство явно проигрывает двум другим. Это не означает, что индивидуальное производство пора хоронить, но надо ясно понимать, что если перемещать атомы зондом микроскопа, то скорость производства останется маленькой. Даже если всю сушу Земли заставить микроскопами.

Главный вопрос Василия Ивановича - "Где?"

Большинство современных популярных публикаций на нанотему состоит из восторгов по поводу того, как "ученые манипулируют отдельными атомами", но вопрос "где?" в них обходится. Между тем ящика с гайками и болтами недостаточно: монтажник, будь то простой рабочий, сидящий на консоли на высоте 350 метров и собирающий небоскреб, будь то изящная девочка на полупроводниковом производстве, знает где и знает куда. То есть каждая деталь - независимо от ее размеров - должна оказаться на определенном месте. Поэтому, если и можно наладить групповое производство или даже производство отдельных деталей с фантастической скоростью, это не решит проблему. В конце концов, нанокластеры, фуллерены и нанотрубки люди научились производить распылением с довольно большой скоростью, но для многих применений принципиально важно, где именно находится нанокластер или нанотрубка. Есть, однако, случаи, когда это не имеет значения. Например, в композитном материале в некоторых случаях можно расположить элементы любым способом (иногда "частично любым", например, упорядоченно в одной плоскости и как угодно в другой, упорядоченно в пространстве, но как угодно по ориентации). В таких ситуациях групповые технологии без точного позиционирования - например, выращивание наноострий для автоэлектронных катодов и распыление кластеров для производства композита вполне могут оказаться решением проблемы. Или, например, напыление тонких пленок - при толщине в несколько атомов это вполне может считаться нанотехнологией, но расположение конкретных атомов в данном случае значения не имеет. Нужно только ясно представлять себе будущую биографию нашего продукта. Если изделие не должно быть впоследствии помещено на место с точностью в десяток нанометров, то скорее всего, основной будет проблема скорости изготовления. Если же точное позиционирование потребуется, то проблема скорости изготовления - не единственная и, возможно, не основная. Собственно говоря, можно было бы всю нанотехнику разделить на две области: хаотическую и детерминированную.

Композитный материал "с использованием нанотехнологий" может быть получен в принципе тремя способами. Он может изготавливаться из наночастиц (нанонитей, наночешуек, нанослоев и т.д.), причем все его нанокомпоненты существуют индивидуально до изготовления. Например, это нанопорошок, смешанный с жидкой матрицей и полимеризованный. Второй вариант - когда наноэлементы возникают в процессе изготовления материала, причем все одновременно - например, при кристаллизации с выделением включений фазы. Третий вариант - когда возникают, но не одновременно, а последовательно, например, при послойном напылении или иной послойной технологии, как в полупроводниковом производстве.

Вещь, знай свое место

Итак, предположим, что нам надо расположить на поверхности некоторое количество каких-либо элементов, причем не важно, каких. И расположить по возможности точно. Например, сначала разместить транзисторы, а потом к ним что-то присоединить, причем к каждому - свое. Строгую периодичность можно получить, воспользовавшись электромагнитной или звуковой стоячей волной. Способов конкретного решения этой проблемы много, например, можно, чтобы максимумы волны инициировали химическую реакцию, но важен не способ. Важно, что есть эталон периодичности. Однако, во-первых, на длину волны влияют свойства среды, а во-вторых, от одной операции до другой частота генератора может "уйти". Но все же способов обеспечить периодическое расположение элементов существует множество, и среди них есть весьма изящные. Например, при сколе под малым углом на поверхности образуются периодические атомные ступени. Но все эти способы упираются либо в природную периодичность - например, период решетки, либо в точность поддержания некого искусственного параметра. Этот параметр (в приведенном примере - угол скола) задается человеком, и потребности нанотехники не могут быть обеспечены точностью его поддержания. Особенно с учетом естественной ненасытности техники, отражающей ненасытность людей.

На каком-то промежуточном этапе, для какой-то определенной задачи точности может и хватить. Но, рассуждая о перспективе, можно положиться только на два способа обеспечения точности положения. Первый - с опорой на природные точные периодичности, связанные со свойствами атомов (например, на постоянную решетки). Второй - когда не человек решает, где должен располагаться очередной элемент, а сам процесс, ранее создавшиеся элементы, сама система. Мы добрались до принципа самосборки, которым уже сколько-то миллиардов лет действует природа. Используется для этого технологического приема еще и термин "самоформирование".

Собственно говоря, мы ничего не изобрели. Именно так действует полупроводниковая технология, и даже не придумывая для этого новых слов. В обычном технологическом процессе некоторые стадии происходят под управлением человека (например, засветка пластины через маску), а некоторые - под управлением самого процесса. Например, вся пластина окунается в травитель, но протравливаются те места, где ее свойства уже отличаются от свойств соседних мест. Разумеется, самая первая операция на новенькой и чистенькой пластине должна делаться под управлением человека.

По мере движения технологии в сторону все меньших размеров элементов операции с ручным управлением отмирают. Потому что совмещать маски с нанометровой точностью невозможно, а индивидуально обрабатывать электронным или ионным лучом - вечности не хватит. Техника пришла к выводу о необходимости самосборки, как это давно сделала природа.

Шаг решетки для большинства веществ лежит в довольно узких пределах - это 0,3-0,6 нм. Технологиям могут потребоваться существенно большие величины. Возьмите две расчески, приложите одну к другой и посмотрите сквозь них на свет. Вы увидите периодические широкие темные полосы. Это одномерный аналог так называемых муаровых узоров. А если мы сложим вдвое кусок капрона, увидим двумерный муар.

Теперь представим себе, что на материал с одним определенным шагом решетки мы нанесли один слой атомов материала с другим шагом. Нанесенные атомы, скорее всего, подчинятся подложке и расположатся свойственным ей способом. Возможно, подчинится и второй нанесенный слой. Но рано или поздно наносимый материал перестроится в свою решетку, а в переходном слое возникнут механические напряжения. В результате нанесенный слой может разорваться на небольшие участки, размер которых зависит от рассогласований решеток и силы межатомных связей (на языке больших объектов - от прочности и модуля Юнга). Размер этих участков будет значительно больше межатомных расстояний (как и полосы в муаровых узорах значительно больше периода нитей в исходных тканях), но он будет от них зависеть. И хотя флуктуации размеров конкретных участков возможны, их количество будет выдерживаться точно. А при малых размерах будет точно выдерживаться и сам размер.

Наномонтажник и его задачи

В природном технологическом процессе нет напылений, засветок фоторезиста и травлений. В природе сборка сложных молекул производится путем перемещения атомов или фрагментов молекул, причем само перемещение делается молекулами-посредниками. Можно сказать, что действия этих молекул похожи на действия монтажника-человека, можно возразить, что мы вынуждены описывать действия этих молекул на кухонном языке потому, что плохо знаем физику. Но факт налицо: в статьях про нанотехнологии сразу после Фейнмана обычно поминают Дрекслера с его книгой "Машины творения", в которой он, видимо, будучи вдохновлен этой моделью, и предсказал создание микромашин, которые будут делать то, что мы захотим, причем поатомно. Идея была для того времени вполне революционная, но сейчас мы понимаем, что важна еще и производительность.

Что же касается собственно наномашин, то определенное продвижение на этом пути имеется. Например, созданы молекулярные устройства, преобразующие колебания кислотности среды или освещенности в перемещение атомов. Можно приспособить для изготовления наноматериалов природные наномашины - вирусы. Конечно, внутриклеточные наномашины, например те, что синтезируют АТФ за счет разности концентрации ионов по разные стороны мембраны, или конвейерные сборщики рибосом, выглядят изощреннее. Но, опять же, природа конструировала эти чудеса намного дольше, чем человек - свои машины.

Задачи, стоящие перед "нанотехнологиями с позиционированием", можно разделить на три группы. Первая, самая понятная, группа - это задачи микро-, то есть наноэлектроники. Транзисторы еще меньше, память еще больше, объем диска - еще громаднее.

Вторая группа задач - это задачи биологические. Вроде ремонта клеток, состригания бляшек в кровеносных сосудах и тому подобного. Вещи эти все пока что вполне фантастические. Не исключено, однако, что на пути нанотехники будут синтезированы вполне обычные вещества, которые окажутся эффективными средствами от некоторых болезней. Собственно говоря, больному без разницы - лечит его вещество, созданное нанометодами (но само действующее традиционно - химически), или "существо", действующее нанометодами. Тем более что и граница-то эта не вполне четкая. Журналисты, украшая свои статьи рисунками этаких подводных лодок со жвалами, отгрызающими бляшки, только зря пугают читателя. Молекулу, действующую "нанометодами", изобразить вообще невозможно - у нее нет "вида" в обычном понимании.

Третья группа задач для нанотехнологий - самая интригующая. Есть применения, связанные с оперированием отдельными атомами, - так называемые квантовые вычисления. Вещь это наиболее загадочная и наиболее многообещающая. Причем первые две группы задач отчасти соприкасаются - нанобиологию можно использовать и в наноэлектронике, физика это не запрещает, и первые результаты в этом направлении уже есть.

Что такое вычисления?

В обычном понимании вычисления - это операции с символами, в том числе с цифрами. В некоторых случаях задача явно ставится в такой форме (преобразовать данное выражение, найти скорость перемещения данного тела). В ряде ситуаций задача формулируется иначе, но она - и условия, и ответ - может быть более или менее простым путем приведена к символьному и числовому виду. Например, граф или лабиринт легко представить в виде списка вершин и связей, а путь в нем - перечнем вершин. Формально представить решение в виде символов можно всегда, ибо решение - это информация.

Что имеют в виду, когда говорят о ДНК-вычислениях? Молекулы ДНК действуют, причем могут действовать управляемо: с помощью других молекул их можно резать, сшивать, копировать, обменивать части на части других молекул. То есть с ними можно осуществлять молекулярные операции. Поскольку ДНК - это полимер из мономеров четырех типов, ее можно представить как последовательность символов и любым операциям с ДНК поставить в соответствие операции с последовательностями символов.

Немедленно возникает вопрос: обладает ли эта система полнотой, достаточной для универсальности, то есть можно ли посредством ДНК- операций изобразить машину Тьюринга и тем самым реализовать любой вычислительный алгоритм? Ответ на этот вопрос известен (Э.Шапиро, 2001), и он положителен. Разумеется, работает такой компьютер медленнее самой медленной во Вселенной черепахи. Для некоторых задач найдены специальные ДНК-алгоритмы. Например, для поиска пути на графе (Л.Эйдельман, 1994) - это был первый ДНК-алгоритм. Но все равно, создание ДНК-вычислителя, способного заменить обычный компьютер, маловероятно. И никакие разговоры о "чудовищном параллелизме", который возникает, когда в пробирку наливают раствор ДНК, не имеют отношения к делу. В параллельных вычислительных системах разные элементы делают разные операции или одинаковые - но над разными объектами, а не просто миллион миллионов раз повторяют одно и то же.

Скорее всего, ДНК-вычисления послужат не для собственно вычислений, а для сборки наноконструкции. Применение парадигмы вычислений позволит, с одной стороны, легче понять, что именно происходит в пробирке, с другой же - применить большой и мощный математический аппарат. Вот что пишут об этом исследователи из Института прикладной математики им. М.В.Келдыша - Г.Г.Малинецкий, Н.А.Митин и С.А.Науменко: "В идеальном варианте свойства, алгоритм поиска и алгоритм синтеза (сборки) описываются на языке для ДНК- вычислителя. Затем "программа" выполняется, в результате получается нужное вещество. Несмотря на то, что этот процесс в точности напоминает описанный писателями-фантастами, современная наука близка к его осуществлению".

Человек - часть природы, и как мы от природы ни изолируемся, но все равно мы носим ее внутри себя. В технике же интерес к природе возрастает время от времени. Мы с вами еще помним расцвет бионики в начале второй половины прошлого века. Похоже, что мы сейчас находимся в начале второго такого периода. По крайней мере, в области нанотехнологий.

Обзор информационной ситуации в нано-области

Любой поиск информации по данному вопросу затруднен его модностью. Следствия - относительно большое количество бессодержательных материалов и материалов, в которых содержание есть, но оно имеет лишь слабое отношение к нашей теме, а сам термин употреблен для придания квазиактуальности. Информационное поле загрязнено безграмотными переложениями и без того достаточно рекламно-примитивных зарубежных публикаций, а также политизированными пассажами, обещающими немедленное мировое господство при выделении госбюджета, при этом сладострастно перечисляется, сколько именно миллионов и кто потратили на эту тематику на Западе и Дальнем Востоке.

Поиск информации в Интернете был проведен на следующие запросы (в скобках - число ссылок всего/оригинальных, kGl): нанотехнология (2900/0,81), нанотехника (27/0,51), нанофизика (18/0,61), нанохимия (100/0,78), наноэлектроника (460/0,79), нанобиология (8,1/0,48), наномедицина (88/0,73), наноматериалы (420/0,70), нанокомпозиты (200/0,53), нанометрология (16/0,36). Общее число страниц на указанные запросы - 4200 (3 года назад - 1500), из них оригинальных - 6 (3 года назад - 2), просмотрены все. Ввиду относительно небольшого количества оригинальных страниц, более сложные запросы не конструировались. Поиск позволил выделить следующие источники информации.

Книги (с 2005 года)

Нанотехнологии в электронике Под ред. Ю.Чаплыгина. Техносфера. 2005.

Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. Сборник статей под редакцией П.П.Мальцева. Техносфера. 2005.

А.И.Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. УРСС. 2005.

Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. Наноструктурные материалы. Nanotechnology News Network. 2005.

И.П.Суздалев. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. УРСС. 2006.

Ю.И.Головин. Введение в нанотехнику. Машиностроение. 2007.

Л.Фостер. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. УРСС. 2008.

Н.Г.Рамбиди, А.В.Березкин. Физические и химические основы нанотехнологий. Физматлит. 2008.

Г.Б.Сергеев. Нанохимия. МГУ. 2009.

А.А.Елисеев, А.В.Лукашин. Функциональные наноматериалы. Физматлит. 2010.

Журналы

http://www.nanotech.ru/journal/

http://www.nanoindustry.su

http://popnano.ru/

http://www.nanojournal.ru/

http://nanoru.ru/title_about.asp

Сайты

http://nano-info.ru/

http://nano-portal.ru/

http://www.portalnano.ru/

http://www.rusnanonet.ru/index.php

Некоторые обзоры и подборки материалов

http://offline.computerra.ru/offline/2005/575/37383/

http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/11_03/FILMS.HTM

http://isjaee.hydrogen.ru/?pid=616

http://www.twirpx.com/files/special/nano/ (книги по нано)

http://www.fnm.msu.ru/documents/17/yudt.pdf

Некоторые центры преподавания и программы подготовки специалистов

http://nanophysics.ac.ru/ (МФТИ)

http://polly.phys.msu.ru (Физфак МГУ)

http://micro.mephi.ru/ (МИФИ)

Что касается отдельных публикаций, то раздел исключительно (даже на фоне Интернета) замусорен бредом, как добросовестным, так и вполне целенаправленным. Первое - следствие низкого уровня образованности и культуры, второе - следствие огосударствления экономики и науки вкупе с низким уровнем образования и культуры, когда решения о распределении ресурсов принимают троечники и жулики. Назовем все же хоть какие-то публикации по нанотехнологиям и наноматериалам.


нанотехнологии


http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200106/9.html

http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200110/1.html

http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2002-5/welcome.html

http://www.keldysh.ru/papers/2005/prep81/prep2005_81.html

http://offline.computerra.ru/offline/2005/575/37383/


наноматериалы


http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2002-5/64.pdf

http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/07_00/NANO/NANO.HTM

http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/11_03/FILMS.HTM

http://www.chem.msu.su/rus/journals/jvho/2002-5/50.pdf

http://isjaee.hydrogen.ru/?pid=616

http://itware.com.ua/news/2002/09/26/virus_nano.html

http://www.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=9&pid=79


10