Знание-сила, 2008 № 08 (974)

Рис. 1

Идея Р. Фейнмана состояла в том, чтобы идти «сверху вниз». Создать макромашины, которые создадут меньшие машины, те еще меньше, наконец, возникнут микромашины, последние сделают наномашины, а те уж будут оперировать отдельными атомами, располагая их так, как мы сочтем нужным. Эта идея в исходном варианте была довольно быстро отвергнута как неосуществимая. Не удается построить такую иерархию машин. С уменьшением масштабов растет соотношение поверхность/объем и поверхностные эффекты начинают играть решающую роль. Например, кусок железа, разрезанного даже не на слишком мелкие кусочки, просто горит в воздухе.

Тем не менее в 80-х годах Г. Биннигом и Г. Рорером был создан удивительный прибор — сканирующий туннельный микроскоп (Нобелевская премия по физике 1986 года). Он позволил не только наблюдать отдельные атомы, но и оперировать с ними. То есть путь «сверху вниз», оказалось, можно пройти! И это возродило нанотехнологические надежды.

К новому 2000 году фирма IBM подарила сотрудникам микрофотографию, где атомами ксенона на никеле были выложены буквы «IBM» и цифры «2000» (рис.1).

Кроме того, существующие технологии создания материалов и объектов подошли к естественному пределу. Напомним шкалу масштабов: 1 нм = 10 9метра, 1 мкм = 10 6метра; атом кремния (в кристаллической решетке) — 0,24 нм; молекула воды — 0,37 нм; углерода — 100 нм; клетка 2—20 мкм; волос 5—100 мкм.

С 1950-х годов современная микроэлектроника развивается в соответствии с эмпирическим законом, предложенным одним из основателей фирмы Intel Гордоном Муром: степень интеграции элементов микросхем на кристалле удваивается каждые два года. Эта степень определяет быстродействие и другие ключевые параметры ЭВМ. Естественно, эта геометрическая прогрессия когда-нибудь закончится. Производители стремятся, чтобы это произошло попозже, и трудятся под лозунгом «More Moore!» («больше Мура!»), однако технологический предел для современных подходов — 30 нм. И дальнейшее уменьшение ведет нас в мир наномасштабов.

Атом очень мал, а чтобы иметь значимые количества вещества, атомов надо очень много. И укладывать их один за другим «сверху-вниз» с помощью электронного микроскопа не получится. Это будет слишком долго. Поэтому основной проблемой, главным научным вызовом является поиск способов, позволяющих двигаться «снизу-вверх», и ключи к этому — самоорганизация, самоформирование, самосборка. Иными словами, должны быть созданы такие условия (определить которые предстоит исследователям), чтобы атомы сами собирались в желаемые структуры. Теория самоорганизации или синергетика (дословно — теория совместного действия) развивается в мире более 40 лет. В этой области присуждались Нобелевские премии — в 1977 году Илье Пригожину и в 1967 году Манфреду Эйгену.

Работы по синергетике научной школы член-корреспондента РАН С.П.Курдюмова, возглавившего в свое время ИПМ, получили мировое признание.

Здесь есть и глубокие идеи, и большие научные достижения, уже воплощенные в ряде технологий.В России с 2002 года в издательстве URSS выпускается серия «Синергетика: от прошлого к будущему», в которой вышло около 40 книг на русском и испанском языках. Большой интерес вызвала книга этой серии И.П. Суздалева «Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов», автор которой принадлежит к научной школе академика Ю.Д.Третьякова.

Однако... почти все, что мы знаем о самоорганизации, относится к макро, — очень немногое к микромасштабам. Механизмы самоорганизации на наномасштабах предстоит изучать в натурных и вычислительных экспериментах, выяснять механизмы, строить теории. Это очень «неудобная» область. Это уже не обычные процессы, к которым мы привыкли в макромире, но и не объекты атомной физики, которые почти век изучает квантовая механика. Это промежуточная область (когда-то все это называли мезофизикой от «мезо» — средний), в которой многие наблюдаемые эффекты и результаты экспериментов продолжают удивлять. И очень трудно оценить время и усилия, необходимые для того, чтобы здесь возникли понимание и ясность. А ведь когда речь идет о проекте, о технологиях, то тут, как в анекдоте про аспиранта: «Думать некогда, работать надо!» Да и специалистов по синергетике как-то нанотехнологи и менеджеры этой программы покуда не беспокоят. Видимо, пока имеет место стадия «неразберихи».

Другое сомнение связано с кадрами. Я имею честь работать на кафедре прикладной математики Московского физико-технического института, базой для которой является ИПМ. Уже несколько лет на кафедре работает специализация, готовящая исследователей по «вычислительной нанофизике», которую возглавляет известный специалист в этой области Г.И. Змиевская. И это не случайно — около пяти лет в ИПМ работает общемосковский семинар «Математическое моделирование нанопроцессов и нанотехнологий» под руководством директора ИПМ член-корреспондента РАН Ю.П.Попова. Направления, которые предлагаются студентам этой специализации, впечатляют — нанооптика, магнитные наноструктуры, наноструктурирование поверхностей, плазменные источники излучения для наноэлектроники, спинтроника, супервычисления для технологического расчета наноструктур. Признаюсь, узнав о нанотехнологической инициативе России, я порадовался за своих коллег. Их дальновидность и энергия позволили учить ребят тому, что понадобиться завтра и послезавтра. Очень хотелось, чтобы эти люди проснулись знаменитыми — они придумали программы, разобрались, чему и как надо учить, осмыслили ситуацию. Но прошел месяц, за ним второй и третий. И студентов на этой специализации по-прежнему остается трое.

Да и специалистов по математическому моделированию таких процессов, надо признать, вниманием не балуют. А напрасно: расчеты, которые здесь требуются, очень близки к переднему краю вычислительной науки. И делать их могут пока немногие. Одним словом, цели пока не определены и движение к ним пока не организовано.

Можно ли двигаться без всего этого? Можно! Символом нанотехнологий является молекула фуллерена (рис.2). Она по своей геометрии представляет обычный футбольный мяч, сшитый из 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Это вещество было названо в честь американского архитектора и инженера Бакминстера Фуллера.

Рис. 2. Молекула фуллерена

Удивительная геометрическая структура приводит к замечательным физическим свойствам. Эти молекулы обладают очень большой прочностью: они не разрушаются, даже сталкиваясь с преградой со скоростью 104 метра в секунду. Это позволяет использовать их в качестве смазки. С другой стороны, их геометрия дает возможность с помощью структур такого типа упаковать отдельные атомы или молекулы, что может иметь принципиальное значение для микробиологии и медицины. Кроме того, они могут быть основой для высокотемпературных сверхпроводников.