Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Эти серьезные и весьма перспективные открытия привели к тому, что за очень короткое время (примерно с 1997 по 2003 год) финансирование нанотехнологий многократно увеличилось [80] . Стремительный рост капиталовложений продолжается, и значительную его часть составляют вложения в развитие и производство разнообразных датчиков. По некоторым оценкам, к 2009 году объем рынка датчиков с использованием нанотехнологий может составить около 0,6 миллиарда долларов [81] , а под другим – даже 2,7 миллиарда долларов в 2008 году [82] . Конкретные показатели в данном случае не очень важны, поскольку несомненно речь идет о действительно перспективной и бурно развивающейся отрасли промышленности, связанной с новейшими научно-технологическими разработками.

14.1.1. Неотвратимое объединение

Исторически мы привыкли рассуждать о технологиях, оперируя привычными представлениями о различиях между материалами, устройствами и системами. Между тем развитие науки и техники за последние десятилетия явно свидетельствует о том, что происходит некий процесс сближения (или слияния) различных типов технологий. Например, во многих современных приборах уже сейчас трудно провести границу между оптической и микромеханической частью устройства. Эта тенденция явно расширяется, так как новейшие технологии (особенно в микроэлектронике) все чаще позволяют придавать некоторые требуемые свойства непосредственно в печатных схемах или материалах подложки, то есть «вводить» их внутрь устройства, что размывает по смыслу классические представления о различии между материалом и изготовляемым из него изделием. В так называемых микроэлектромеханических системах (МЭМС) используются весьма сложные и многофункциональные так называемые умные (или интеллектуальные) наноматериалы, которые часто и образуют то, что мы привыкли называть устройством. Как остроумно заметил один из основателей фирмы Nanosys Ларри Бок: «В нанотехнологии следует говорить о сложности не системы, а составляющего ее материала» [83] .

В настоящее время исследователи всерьез задумываются о том, какими новыми терминами и представлениями следует обозначать и описывать, например, процессы и явления, при которых нанометрические структуры (включающие в себя лишь очень небольшое число молекул и электронов) оказываются способны перерабатывать и хранить огромный объем информации. Для записи и получения информации иногда стали применяться методики, которые раньше использовались лишь для описания физического состояния отдельной молекулы (флуоресценция и т. п.) или даже положения отдельных звеньев полимерной цепочки. Эти принципиально новые подходы позволяют доводить плотность записи информации до фантастических пределов (1 триллиона бит на квадратный дюйм), которые не имеет смысла даже сравнивать с плотностью записи на современных магнитных носителях [84] .

Создание реальных технических устройств на этой основе представляет собой очень интересную задачу, но несомненным результатом внедрения новых методов станет массовое производство разнообразных «умных» и крошечных по размерам датчиков с ничтожным энергопотреблением. Процессы широкого внедрения нанодатчиков затронут многие области науки, техники, общественной жизни и т. п. Из наиболее очевидных областей применения можно отметить слежение за текущим состоянием самых разных систем (например, биологических или экологических), развитие космической техники и т. д.

Подготовка производства нанотехнологических датчиков естественным образом разделяется на отдельные задачи или этапы, включающие в себя получение необходимых материалов, изготовление или выращивание на их основе необходимых нанообъектов и, наконец, создание самого специфического датчика в виде конструкции с заданной функциональностью, правильной геометрией и т. п. Три указанных направления исследований (материалы, способы их обработки, создание самих датчиков) теоретически удобно описывать, пользуясь абстрактной трехмерной системой координат, показанной на рис. 14.2. При необходимости этот подход позволяет сводить в единое целое и анализировать разнородные данные по типам используемых материалов, методам обработки или синтеза и конкретным измерениям, осуществляемым датчиками. Положения точек в такой системе отвечают на основные вопросы любого производства (что? как? с какой целью?). Очевидно, что из определенного типа материалов можно изготовить разные виды датчиков, а требуемый параметр можно измерить различными датчиками на основе разных материалов.

Рис. 14.2. Схематическая связь между материалами, процессами их обработки и создаваемыми на этой основе датчиками

14.1.2. Методы обработки материалов

Читатель наверняка знаком с общим делением технологических процессов на нисходящие (сверху вниз) и восходящие (снизу вверх), поэтому мы не будем давать лишних пояснений. В последние десятилетия нисходящие технологии непрерывно развивались, что и привело к созданию микротехнологий, естественным образом переходящих в нанотехнологии. В настоящее время наиболее развитые технологии этого типа используются в электронике и позволяют создавать очень сложные интегральные схемы, используя литографию, травление и технику осаждения. Постепенно совершенствуя эти классические технологии, специалисты микроэлектроники добилась фантастических успехов. Достаточно упомянуть, что толщина «проводов» в современных микросхемах уже достигла 100 нанометров и продолжает уменьшаться. Миниатюризация сверху вниз используется и при создании весьма популярных сейчас МЭМС, причем очень часто новые устройства используются именно для дальнейшей миниатюризации деталей (подобно тому как на обычном токарном станке создаются детали для сборки значительно более мелких устройств).

Нанотехнологии вообще возникли в результате совершенствования и развития методов и процессов сверху вниз, которые дошли до своего практического предела, когда предметом манипуляций стали отдельные атомы и молекулы. Стоит вспомнить, однако, что в природе существуют и разнообразные восходящие (снизу вверх) процессы и методики, наиболее распространенной из которых является молекулярная самосборка (самоорганизация), когда при определенных условиях атомы и молекулы сами объединяются в более крупные структуры [85] . Это заставило ученых и технологов задуматься о возможности организации производства на основе самосборки или так называемой направленной сборки на атомномолекулярном уровне [86] . Регулирование таких процессов является исключительно сложной научно-технической задачей, поскольку требует от исследователя умения «выращивать» вещество требуемого вида в геометрически правильной форме и в заданных местах. Существует и возможность сочетания нисходящих и восходящих технологий, что дает проектировщикам дополнительные возможности для создания материалов, устройств и инструментов. Кроме того, при создании новых видов датчиков могут комбинироваться технологии разного уровня (например, микро– и нано-) или типа.