Ще 70 років тому російський фізик-теоретик Георгій Гамов уперше отримав рішення рівнянь Шредінгера, що описує можливість подолання часткою енергетичного бар’єра у разі, коли її енергія менше його висоти. Нове явище, зване тунелюванням, дозволило пояснити багато експериментальних процесів. Знайдене рішення було застосовано для опису процесів, що відбуваються при вильоті частки з ядра, що становлять основу атомної науки і техніки, в тому числі нанотехнологій. На думку багатьох вчених, грандіозні результати робіт Г.Гамова, що стали основоположними для багатьох наук, слід було б відзначити кількома Нобелівськими преміями.
Розвиток електроніки призвів до використання процесів тунелювання лише майже 30 років тому, у середині 50-х років, коли з’явилися тунельні діоди, відкриті японським ученим Л.Есакі, який став Нобелівським лауреатом. Ще через 5 років Юрій Тіходєєв, керівник сектора фізико-теоретичних досліджень в московському НДІ “Пульсар”, запропонував перші розрахунки параметрів і варіанти застосування приладів на основі багатошарових тунельних структур, що дозволяють досягти рекордних по швидкодії результатів. В середині 70-х років вони були успішно реалізовані.
Однак батьком нанотехнологій вважають американського фізика Ричарда Фейнмана, який висловив в 1959 р. думка, що “принципи фізики … не говорять про неможливість маніпулювання речовиною на рівні атомів”. Звичайно, подібні ідеї існували й раніше, але серед вчених такого рівня (у 1965 р. Р.Фейнманом присуджена Нобелівська премія) він був першим, хто вказав на це. Лекція, в якій прозвучала наведена цитата, присвячувалася світу тонких матерій і називалася “Там внизу багато місця” 1. У ній говорилося про такі багато в чому і сьогодні фантастичних застосуваннях нанотехнологій, як виготовлення речовин фізиком за замовленням хіміка за допомогою переміщення окремих атомів на “потрібні” позиції. Проте рівень розвитку науки і техніки 50-х років не дозволяв обговорювати всерйоз можливе цілеспрямоване вплив на окремі атоми.
Перелом настав після винаходу в 1981 р. Г.Бінінгом і Г.Рорером, вченими зі швейцарського відділення IBM, скануючого тунельного мікроскопа – приладу, що дає можливість впливати на речовина на атомарному рівні. У 1986 р. був створений атомно-силовий мікроскоп, що дозволяє на відміну від тунельного, здійснювати взаємодію не тільки з провідними, але з будь-якими матеріаламі2.За допомогою тунельного мікроскопа стало можливим “підчепити” атом і помістити його в потрібне місце, тобто маніпулювати атомами, а отже, безпосередньо збирати з них будь-який предмет, будь-яке речовина. З 1994 р. починається застосування нанотехнологічних методів у промисловості.
Стрімкий розвиток науки і техніки, здійснюване на основі розвинутої нанотехнології, називають нано індустріальною революцією.
У Японії щорічно ведуться роботи приблизно по 12 нанотехнологічні проектам. Найбільшим в 1992 р. був “Angstrom Technology Project” – найбільший з серії проектів, спрямованих на розробку приладів нанометрового розміру (вартість 185 млн. дол., розрахований на 10 років). В його реалізації беруть участь 50-80 фірм. Проведена реорганізація чотирьох міністерських лабораторій в дослідницькому центрі “Цукуба”, а також створений новий міждисциплінарний центр з досліджень в даній області.
Можна відзначити також проект “Atom Craft Project”, пов’язаний з атомною збіркою, проект квантових функціональних приладів та ін. За словами їхніх керівників, вони формують технологію XXI в. і планують закласти основу для технології терабітних кристалів.
З п’яти напрямів наукових програм з 1995 р. головним є створення функціональних приладів на основі наноструктур. У ряді спеціалізованих журналів опубліковано велику кількість нових робіт, присвячених нанотехнологічні комплексам, застосуванню їх для конструювання нанороботів і використанню не тільки на Землі, але і в космосі.
У Франції відкрито клуб нанотехнологів, що об’єднує вчених і промисловців різних галузей. У Великобританії видаються журнали “Нанотехнологія” і “нанобіології”, а в 1998 р. відбулася п’ята міжнародна конференція з даними проблемам.
Що стосується Росії, то за масштабами фундаментальних і прикладних досліджень в області нанотехнологій вона відстає від провідних країн. Проте в ряді інститутів Російської академії наук проводяться серйозні роботи в цій сфері. Так, у Фізико-технічному інституті ім. А. Ф. Іоффе під керівництвом Нобелівського лауреата Ж.Алферова здійснюються передові розробки наногетероструктур, які отримали міжнародне визнання (про це свідчить проведення в інституті в червні 2001 р. десятій міжнародній конференції “Наноструктури: фізика та технології”). Значні результати нанотехнологічних досліджень досягнуті в Інституті проблем технології та макроелектронікі під керівництвом В.Арістова, а також у ФІАН під керівництвом Ю.Коваева.
Фундаментальні дослідження в області хімічних технологій дозволили отримати нанокристалічні (НК) і сверхмікрокристаллічні (СМЯ) матеріали з розміром зерен менше 1 мікроміліметра, що володіють комплексом особливих фізико-хімічних і механічних властивостей. Вони можуть успішно використовуватися в екстремальних умовах експлуатації – при низьких температурах, в зоні інтенсивного радіаційного випромінювання, в високонавантажених конструкціях і агресивних середовищах. На основі НК-і СМК-структур можна створити металеві та інтерметаллічні матеріали з високими демпфірують властивостями, високоміцні і надлегкі метал-полімерні композити для застосування в високоерцетівних постійних магнітах, високовольтних контактах, каталізаторах і фільтруючих елементах, а також у медицині для виготовлення надміцних, надлегких , корозійностійких імплантатів.
В області прикладних нанотехнологічних досліджень можна відзначити роботи, що проводяться корпорацією МДТ (Molecular Device Tools for Nanotechnology), яка була створена в 1991 р. в Зеленограді групою випускників Московського фізико-технічного інституту. Основні напрямки бізнесу корпорації – молекулярні технології.
Дочірня компанія корпорації – НТ-МДТ спеціалізується на обладнанні для молекулярної технології – скануючих зондових мікроскопах (СЗМ), виробах кремнієвої мікромеханіки для нанотехнологій, установках для дослідження та формування плівок Ленгмюра-Блоджетт. В даний час корпорацією виробляються СЗМ третього покоління: СОЛВЕР-Р4, Високовакуумні (до 10-10 торр) СОЛВЕР-37-UHV, широкопольний зондовий мікроскоп СОЛВЕР-34-SPMLS-MDT для контролю якості матриць, що застосовуються при виробництві компакт-дисків, і ін.
Будучи не тільки вимірювальними приладами, а й інструментами, за допомогою яких можна формувати і досліджувати наноструктури, зондові мікроскопи покликані стати базовими фізичними метрологічними інструментами XXI в.
Основні напрями розвитку нанотехнологій
Можна виділити три напрями, тісно пов’язані між собою:
• виготовлення електронних схем (у тому числі об’ємних) з активними елементами, чиї розміри порівнянні з розмірами одиничних молекул або атомів;
• розробка та виготовлення наномашин, тобто механізмів роботів завбільшки з молекулу, використання яких відкриває перед людством небачені перспективи;
• безпосередня маніпуляція атомами і молекулами і збірка з них усіляких матеріалів (як будівля збирається з цегли). Це завдання в свою чергу розпадається на дві концепції. Перша-перебудова наявних структур (наприклад, перебудувавши порядок атомів у вугіллі, можна виготовити алмаз). Друга – збірка більшого з меншого (так, використовуючи молекули води і вуглекислого газу, можна виготовити з них цукор або крохмаль, як це роблять рослини).
Все це поступово входить в життя. У деяких галузях промисловості нанотехнологічний контроль виробів і матеріалів (буквально на рівні одиничних атомів) став буденним. Реальний приклад – DVD-диски, виробництво яких було б неможливо без нанотехнологічного контролю матриць.
У найближчій перспективі нанотехнології почнуть, мабуть, застосовуватися і у виробництві інтегральних схем. Існуючі способи осадження домішок в напівпровідник (епітаксії) по літографічним шаблонам практично наблизилися до свого технологічного межі. Справа не тільки в розмірах елементів – певна можливість їх зменшення ще існує, а в тому, що нинішні технології фотолітографії дозволяють виготовляти тільки планарниє структури (коли всі елементи і провідники розташовані в одній площині). Це накладає суттєві обмеження на схемотехніку – найбільш прогресивні схемні рішення не можуть бути здійснені за подібною технологією (зокрема, таким чином неможливо відтворити нейронні схеми, на які покладаються великі надії). У той же час активно розвиваються нанотехнологічні методи, що дають можливість створювати активні елементи (транзистори, діоди) розміром з молекулу і формувати з них багатошарові (тривимірні) схеми. Очевидно, саме мікроелектроніка стане першою галуззю, де “атомна збірка” здійсниться в промислових масштабах.
Що стосується наномашин, то вони здатні докорінно змінити місце існування людини. У 1992 р. Ерік Дрекслер3, один з ідеологів нанотехнологій, намалював картину недалекого майбутнього. Будуть ліквідовані голод, хвороби, забруднення навколишнього середовища і багато інших стоять перед людством глобальні проблеми. Ключем до цього стануть крихітні машини розміром з молекулу, що володіють здатністю до самовідтворення. Використовуючи в якості будівельного матеріалу атоми, вони зможуть виробляти все необхідне з недосяжною раніше ефективністю.
В основі розробки наномашин лежить проста ідея. Хоча кошти для маніпуляцій окремими атомами є і зараз, навряд чи їх можна “напряму” застосувати для того, щоб зібрати щось конкретне для практичного використання, хоча б через кількість атомів, які доведеться “монтувати”. Однак можливостей існуючих технологій вже достатньо, щоб спорудити з декількох молекул якісь найпростіші механізми, здатні за допомогою керуючих сигналів ззовні (акустичних, електромагнітних і пр.) маніпулювати іншими молекулами і створювати собі подібні пристрої або складніші механізми. Ті в свою чергу зможуть виготовити ще більш складні пристрої і т.д. В кінцевому результаті цей експонентний процес призведе до проектування молекулярних роботів – механізмів, які можна порівняти за розмірами з великої молекулою і володіють власним вбудованим комп’ютером. У розробці таких нанокомп’ютерів немає нічого фантастичного, активні електронні елементи подібних розмірів вже отримані в лабораторних умовах.
В результаті світ докорінно зміниться. Практично все необхідне для життєдіяльності людини може бути виготовлено молекулярними роботами безпосередньо з атомів і молекул навколишнього середовища (продукти харчування – з ґрунту і повітря, як їх виробляють рослини, кремнієві мікросхеми – з піску). Очевидно, що подібне виробництво буде значно більш рентабельним і екологічним, ніж нинішні промисловість і сільське господарство. Необхідно лише забезпечити наномашини сировиною та енергією, а все інше вони зроблять самі (хоча в принципі ніщо не заважає наномашин самим добувати і сировину та енергію). Людство отримає виключно комфортне середовище проживання, де не буде місця ні голоду, ні хвороб, ні виснажливої фізичної праці.
Складність виготовлення наномашин аж ніяк не є основним фактором, що стримує їх розвиток. Вчені вже вміють збирати атоми і молекули в якісь конструкції. Головні труднощі в тому, що для складання такої машини треба спочатку її сконструювати, розробити. Розрахунок такої конструкції настільки трудомісткий і складний, що для його здійснення не вистачає навіть потужності сучасних суперкомп’ютерів. Однак, враховуючи темпи розвитку обчислювальної техніки, очевидно, що поява молекулярних роботів – питання лише десятиліть.
Оптимісти і песимісти, пророкуючи, коли за допомогою молекулярних роботів вдасться поставити бар’єр на шляху хвороб і старіння людини, розходяться в своїх оцінках незначно. За різними прогнозами, це відбудеться в другій або третій чверті XXI ст.
Можливі наслідки розвитку нанотехнологій – докорінне перетворення практично всіх галузей науки і техніки.
В електроніці очікується створення надшвидкодіючих комп’ютерів не тільки з звичайними архітектурами, а і нейрокомп’ютерів, надшвидкодіючих функціональних пристроїв з рекордною продуктивністю. В оптоелектроніці будуть синтезовані давно очікувані випромінювачі з перебудовуваним спектром і широкосмугові фотоприймачі з високими ККД. Кардинальні зміни відбудуться в медицині з реалізацією можливостей генної інженерії, створенням ефективних молекулярних діагностичних пристроїв і відповідних біосінтезаторов. Радикально перетвориться хімічна індустрія, підприємства якої перетворяться з гігантів в практично персональні синтезатори.
Що стосується точних термінів початку реалізації нанотехнологій в повсякденній практиці, то в провідних лабораторіях світу окремі наноелектронних елементи існують вже зараз, а більш широке застосування, за оцінками фахівців, доведеться вже на перші четверо XXI в.4 Нанотехнологія стане основою значних еволюційних змін, багато з яких будуть настільки якісно відрізнятися від сьогоднішнього світу, що в даний час їх просто неможливо описати.
Можливі перспективи
Якщо представити в загальному вигляді прогнозовані на XXI ст. перспективи розвитку нанотехнологій, то в окремих областях вони виглядають наступним образом.
У промисловості на зміну традиційним методам виробництва прийде збірка молекулярними роботами предметів споживання безпосередньо з атомів і молекул, аж до персональних синтезаторів і копіюють пристроїв, що дозволяють виготовити будь-який предмет. Перші результати можуть бути отримані вже на початку ХХI ст.
У сільському господарстві здійсниться заміна “природних машин” для виробництва їжі (рослин і тварин) їх штучними аналогами – комплексами з молекулярних роботів. Вони будуть відтворювати ті ж хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі, проте більш коротким і ефективним шляхом. Наприклад, з ланцюжка “грунт – вуглекислий газ – фотосинтез – трава – корова – молоко” видалять всі зайві ланки, тобто залишиться “грунт – вуглекислий газ – молоко (сир, масло, м’ясо і т.д.)”. Подібне “сільське господарство” не буде залежати від погодних умов і потребуватимуть важкому фізичному праці, а його продуктивність дозволить назавжди вирішити продовольчу проблему. За різними оцінками, перші такі комплекси можуть бути створені в середині ХХІ ст.
В кібернетиці в першій половині XXI в. відбудеться перехід від пленарних структур до об’ємних мікросхем, розміри активних елементів зменшаться до розмірів молекул. Робочі частоти комп’ютерів досягнуть терагерцових величин. Отримають поширення схемні рішення на нейроноподобних елементах. З’явиться швидкодіюча довгострокова пам’ять на білкових молекулах, ємність якої буде вимірюватися терабайтами. Стане можливим “переселення” людського інтелекту в комп’ютер.
Освоєння космосу “звичайним” порядком мабуть передуватиме освоєння його нанороботами. Величезну армію роботів-молекул випустять в навколоземний космічний простір, і вона підготує його для заселення людьми, (тобто зробить придатними для проживання Місяць, астероїди, найближчі планети), а також спорудить з “підручних матеріалів” (метеоритів, комет) космічні станції. Це буде набагато дешевше і безпечніше існуючих нині методів.
У сфері екології в середині XXI ст. повністю усунеться шкідливий вплив діяльності людини на навколишнє середовище, по-перше, за рахунок насичення екосфери молекулярними роботами-санітарами, що перетворюють відходи цієї діяльності у вихідну сировину, по-друге, в результаті перекладу промисловості і сільського господарства на безвідходні нанотехнологічні методи.
В медицині в першій половині XXI в. будуть створені молекулярні роботи-лікарі, “живуть” всередині людського організму і запобігають або усувають виникають пошкодження (включаючи генетичні).
В області геронтології вважається досяжним у другій половині XXI в. безсмертя людей за рахунок впровадження в організм молекулярних роботів, що запобігають старінню клітин, а також за рахунок перебудови і “облагороджування” тканин людського організму. Відбудеться пожвавлення і лікування тих безнадійно хворих людей, які були заморожені в свій час методами кріоніки.
У біології в середині XXI ст.
