Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Дэвид Дж. Нагель, Шарон Смит

Дэвид Дж. Нагель стал ученым лишь в зрелом возрасте, сменив множество занятий. До этого он служил в военно-морском флоте США, дослужившись до звания капитана. Позднее он перешел на работу в Лабораторию военноморских сил США (Naval Research Laboratory, NRL). Его научную деятельность отличает разнообразие интересов, однако основным занятием стало конструирование разнообразных микроскопических устройств и приборов.

В настоящее время Д. Нагель руководит отделом конденсированных сред и радиационных исследований в NRL. Он является автором и соавтором более 150 статей, отчетов и книг по микроэлектромеханическим устройствам и смежным вопросам нанотехнологии.

Шарон Смит возглавляет исследовательское отделение известной фирмы Lockheed Martin в городе Бетеста (штат Мэриленд), где занимается разнообразной научно-технической деятельностью, связанной не только с наукой, но и с внедрением разработок в промышленное производство. Одновременно она руководит группой по изучению возможностей нанотехнологий. До этого Ш. Смит успешно работала во многих фирмах и организациях, связанных с организацией научных исследований, управлением производством и внедрением инновационных разработок в США и Европе. Она обладает огромным опытом и считается выдающимся организатором.

Шарон Смит является автором многих ценных публикаций, входит в состав Объединенного комитета по развитию нанотехнологий в штате Виргиния, а также в Совет по материаловедению национальной Академии наук. Имеет несколько научных степеней в различных областях химии.

Возникновение и развитие нанотехнологий оказало огромное воздействие на многие отрасли науки и техники, однако можно смело утверждать, что наиболее революционные изменения произойдут в производстве и использовании датчиков разных типов. Нанотехнологии создают для разработчиков, производителей и пользователей беспрецедентную возможность одновременно решать все основные задачи данной области, а именно – снизить вес и размеры изделий при уменьшении энергопотребления и повышении специфичности. В данной главе предлагается очень краткое описание возможностей (и, естественно, ограничений) новых технологий, основанных на обработке и использовании свойств вещества на размерах порядка нанометра (одна тысячная доля микрометра). Уже сейчас нанодатчики (включая и те, где возможности новых технологий используются лишь дополнительно) очень широко применяются в промышленности и науке, включая транспорт, медицину, коммуникации, строительство, проблемы обороны и национальной безопасности и т. п. Потенциальные возможности применения различных нанодатчиков представляются просто фантастическими, так как в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут вводиться в отдельные биологические клетки, что позволяет регистрировать, например, конкретное химическое или радиационное воздействие на организм астронавтов или следить за развитием болезни в отдельном органе пациента медицинской клиники [78] . Многие такие устройства сейчас раскручиваются инновационными компаниями, что привлекает внимание «большого бизнеса» как к самой нанотехнологии вообще, так и к коммерческим применениям нанообъектов и наноэффектов.

Огромную роль нанотехнологий в области создания и использования различных датчиков легко понять, если вспомнить, что механизм действия практически всех используемых на практике химических и биологических датчиков основан на регистрации какого-либо взаимодействия на атомномолекулярном уровне. Вообще говоря, нанотехнология сводится к возможности создавать новые функциональные материалы, устройства и целые системы, а также использовать атомно-молекулярные процессы или физические эффекты для практических целей [79] .

Нанотехнологии можно рассматривать в качестве очередного этапа развития науки, направленного к созданию более мелких, более быстрых и более дешевых материалов и устройств. В свое время стремление к миниатюризации технических устройств привело к развитию микротехнологий (читатель может вспомнить поразительное уменьшение электронных, оптических и механических приборов за последние десятилетия), результатом чего, кстати, стало бурное развитие производства датчиков и измерительных устройств самого разного типа. Следующим, современным этапом процесса миниатюризации стало использование интегральных схем, оптоволоконной техники и так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС). В настоящее время нанотехнологии ставят перед исследователями и производственниками еще более интересные и сложные задачи, связанные с дальнейшим уменьшением масштабов действия и процессов, что обещает существенный прогресс в науке и технологии.

Общая тенденция к уменьшению размеров строительных «блоков» привела науку к использованию в качестве таких элементов отдельных молекул и даже атомов, что означает, кстати, сближение и слияние технологических процессов разного типа. В этой связи стоит отметить, что в настоящее время наблюдается сближение или синтез различных научных дисциплин, общий смысл которого пока трудно уловить (например, мы наблюдаем явное объединение нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий в единое целое). Такое «перекрывание» и наложение наук должно приводить, как говорят физики, к синергическому эффекту, то есть их взаимодействию, усилению и созданию новых возможностей технологического развития.

14.1. Возможности

Интерес к нанотехнологиям возник в результате нескольких фундаментальных научных достижений конца XX века, первым из которых следует считать прямую возможность точной манипуляции отдельными атомами, ставшую возможной после создания так называемых атомно-силовых зондовых (или сканирующих) микроскопов (SPM). Следующим важным фактором развития новой науки стала возможность синтеза или производства в больших количествах наночастиц, или нанокластеров определенного вида (например, серебра или золота). В дальнейшем общее внимание к наноматериалам и устройствам на их основе привлекло то, что новые вещества и структуры проявляли совершенно неожиданные свойства, связанные с квантовыми и поверхностными эффектами. Наглядными примерами таких научно-технических «сюрпризов» стали абсолютно непривычные новые объекты типа квантовых точек с неожиданными оптическими свойствами и т. п.

Другим важным достижением в этой области стал синтез так называемых углеродных нанотрубок (CNT), представляющих собой очень узкие пустые цилиндры, образованные сеткой углеродных атомов. Уже синтезировано множество типов таких однослойных и многослойных CNT, потенциальные возможности которых кажутся совершенно фантастическими. Даже представленные на рис. 14.1 структуры из самых простых однослойных углеродных нанотрубок могут (в зависимости от структуры и точной ориентации атомов углерода) являться либо проводящими (как металлы), либо полупроводниковыми материалами. Учитывая то, что свойства CNT могут дополнительно регулироваться условиями роста, конкретными схемами соединения и т. п., понятно, что они представляют собой новый класс уникальных материалов для полупроводниковой техники вообще и для датчиков в частности. Углеродные нанотрубки находят самое неожиданное применение как в качестве независимых элементов структуры, так и в сочетании с другими, уже известными элементами.