Чтение онлайн

Другой пример, когда нанотрубка является частью физического прибора – это «насаживание» ее на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить из с места на место.

Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились измерять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков!

Еще одно применение в наноэлектронике – создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа металл/полупровод-ник или стык двух разных полупроводников. Теперь для изготовления такой гетероструктуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем «сваривать» их друг с другом. Все, что требуется – это в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно, заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником). Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая –полупроводником!

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

С помощью того же атомного микроскопа можно производить запись и считывание информации с матрицы, состоящей из атомов титана, лежащего на -Al2O3 подложке. Эта идея уже также реализована экспериментально: достигнутая плотность записи информации составляла 250 Гбит/см2. Однако в обоих этих примерах до массового применения пока далеко – слишком уж дорого обходятся такие наукоемкие новшества. Поэтому одна из самых главных задач здесь – разработать дешевую методику реализации этих идей.

Пустоты внутри нанотрубок (и углеродных каркасных структур вообще) также привлекали внимание ученых. В самом деле, а что будет, если внутрь фуллерена поместить атом какого-нибудь вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е.внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник! А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок? Оказывается, да. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния! Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Как, оказывается, много значит валентный электрон, отдаваемый атомом металла во всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура записывается как Gd @ C60 @ SWNT, что означает «Gd внутри C60 внутри однослойной полой нанотрубки (Single Wall Nano Tube)».

В нанотрубки можно не только «загонять» атомы и молекулы поодиночке, но и буквально «вливать» вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции «запаивания» и «распаивания» концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это – не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10–20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и «вскрываются» в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы.

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией. В развитых странах активно ведутся такие работы.

В Японии ежегодно ведутся работы примерно по 12 нанотехнологическим проектам. Крупнейшим в 1992 г. был «Angstrom Technology Project» – самый значительный из серии проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера (стоимость 185 млн долл., рассчитан на 10 лет). В его реализации участвуют 50–80 фирм. Проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

Можно отметить также проект «Atom Craft Project», связанный с атомной сборкой, проект квантовых функциональных приборов и др. По словам их руководителей, они формируют технологию XXI в. и планируют заложить основу для технологии терабитных кристаллов.

Из пяти направлений научных программ с 1995 г. главным является создание функциональных приборов на основе наноструктур. В ряде специализированных журналов опубликовано большое число новых работ, посвященных нанотехнологическим комплексам, применению их для конструирования нанороботов и использованию не только на Земле, но и в космосе.

Во Франции открыт клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании издаются журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», а в 1998 г. состоялась пятая международная конференция по данным проблемам.

Что касается России, то по масштабам фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологий она отстает от ведущих стран. Тем не менее в ряде институтов Российской академии наук проводятся серьезные работы в этой сфере. Так, в Физико-техническом институте им А.Ф. Иоффе под руководством Нобелевского лауреата Ж. Алферова осуществляются передовые разработки наногетероструктур, получившие международное признание (об этом свидетельствует проведение в институте в еще июне 2001 г. десятой международной конференции «Наноструктуры: физика и технологии»). Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники под руководством В.Аристова, а также в ФИАНе под руководством Ю.Ковалева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверхмикрокристаллические (СМК) материалы с размером зерен менее 1 микромиллиметра, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации – при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высоконагруженнных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК- и СМК-структур можно создать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металл-полимерные композиты для применения в высокоэрцетивных постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких имплантантов.

В области прикладных нанотехнологических исследований можно отметить работы, проводимые корпорацией МДТ (Molecular Device Tools for Nanotechnology), которая была создана в 1991 г. в Зеленограде группой выпускников Московского физико-технического института. Основные направления бизнеса корпорации – молекулярные технологии.

Дочерняя компания корпорации – НТ-МДТ специализируется на оборудовании для молекулярной технологии – сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ), изделиях кремниевой микромеханики для нанотехнологий, установках для исследования и формирования пленок Ленгмюра-Блоджетт. В настоящее время корпорация производит СЗМ третьего поколения: СОЛВЕР-Р4, высоковакуумный (до 10– 10 торр) СОЛВЕР-37-UHV, широкопольный зондовый микроскоп СОЛВЕР-34-SPMLS-MDT для контроля качества матриц, применяющихся при производстве компакт-дисков, и др. Будучи не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI в.

Каков конкретный вклад ученых, стран в развитие нанотехнологии?

На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле – Европейский Союз (примерно 15 %) и Япония (20 %). Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре и Тайване. Если в 2000 году суммарные затраты стран мира на подобные исследования составили примерно $800 млн., то в 2001 году они увеличились вдвое и процесс увеличения затрат на эти работы продолжается высокими темпами. По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить не менее 1 трлн. долларов.