Наноиндустрия в России и за рубежом

 

Считается, что с 2000 года началась эра гибридной наноэлектроники. В настоящее время ежегодно проводятся сотни конференций, посвящённых различным аспектам нанотехнологии.

Опубликованы сотни тысяч статей и монографий, созданы специальные сайты в Интернете, происходит интенсивная подготовка к созданию наноэлектронных элементов и различных функциональных устройств: от простейших до нанокомпьютеров.

Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологии наиболее активно развиваются: микро_ и наноробототехника, позволяющая создать миниатюрные исполнительные механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределёнными механическими устройствами: интегральная нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные элементы с КПД в 4 раза больше существующих, светодиоды и лазеры с перестраиваемым от инфракрасного до ультрафиолетового спектром излучения, высокоэффективные транспаранты и функциональные оптические приборы.

Осознание стратегической важности нанотехнологий привело к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются программы работ по нанотехнологиям.

В Японии программа работ по нанотехнологии получила высший государственный приоритет “Огато”. Данный проект спонсирует не только государство, но и дополнительно около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансировалось около дюжины проектов, посвящённых различным

аспектам нанотехнологии _ квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, и др. Крупнейшими проектами являлись “Atom Craft project” и “Aono project”. Внимание, уделяемое государством, было не случайным _ ещё 10 лет назад в стране присуждались золотые медали за лучшие достижения в области нанотехнологии. Основные разработки проводились в центре перспективных технологий “Цукуба”.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (программа НАТО по нанотехнологии).

Кроме того, программы работ по нанотехнологии приобрели статус государственных программ даже в сравнительно небольших странах типа Голландии и Финляндии.

В США отставание от Японии в финансировании работ по нанотехнологии стало предметом государственного обсуждения,в результате которого объём финансирования одних только фундаментальных исследований каждый год стал удваиваться.

С целью форсирования работ именно в данном направлении в 2000 году по решению правительства США работы по нанотехнологии получили высший приоритет. В результате была создана Национальная нанотехнологическая инициатива, а при президенте организован специальный комитет, координи-рующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и вооруженных силах.

Одной из целей программы является создание на основе нанотехнологии вычислительных устройств с производительностью в миллион раз выше существующих процессоров Pentium. Кроме того, в отличие от финансирования работ в области фундаментальных исследований, объём финансирования

работ по нанотехнологии в фирмах многократно выше. Например, только в фирме Intel в прошлом году на разработки в области нанотехнологий было потрачено более 1 млрд. долл.

В 2005 году мы насчитываем уже более 50 стран, ведущих исследования и разработки в нанотехнологии, включая Южно-Африканскую Республику.

В России фундаментальные исследования по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них: программа “Физика наноструктур”, руководимая академиком Ж.И. Алферовым, и “Перспективные технологии и устройства в микро-и наноэлектронике”, руководимая академиком К.А. Валиевым.

По последним данным, о состоянии российской наноиндустрии можно сказать следующее:

Достигнуты высокие результаты в области создания нанотехнологических приборов и установок. Были развиты основы микромеханики и разработаны сканирующие зондовые, туннельные и атомно_силовые микроскопы (концерн “Наноиндустрия”, фирма НТ_МДТ, HTE, НИИФП им. Ф.В.Лукина и др.).

Отечественные ученые создали собственные теоретические и экспериментальные заделы в области твердотельных элементов квантовых компьютеров, квантовой связи, квантовой криптографии. Технологии атомного масштаба (0,5_0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы в этой сфере.

Разрабатываются новые методы получения наноматериалов: синтез и компактирование ультрадисперсных порошков,получение наноматериалов методами интенсивной пластической деформации, кристаллизация из аморфного состояния,пленочная нанотехнология.

Проводятся материаловедческие работы в области “интеллектуальных материалов”, ультрадисперсного состояния и супрамолекулярной химии, коллоидных систем, а также разрабатываются теоретические принципы строения частиц с наноразмерами, учитывающие размер как физико_химический фактор.

В области медицины, генетики и экологии также ведутся исследования и разработки наносистем. Созданы образцы так называемых “биочипов”, разработаны технологии выделения мономолекулярных кристаллических упорядоченных белковых структур бактериального происхождения и их использования в области микроэлектроники, микро- и наномеханических устройств, биосенсоров, биотехнологии.

Результаты анализа свидетельствуют, что отечественные разработки находятся на уровне мировых достижений, но при очевидных успехах российской науки в области нанотехнологических исследований наша страна пока не может вплотную заняться их массовым промышленным внедрением. Главная проблема – традиционный недостаток финансирования: в настоящее время в России не существует целевой государственной программы финансирования работ в области нанотехнологий.

Однако все же выдаются гранты на прикладные исследования в нанотехнологии по отдельным международным программам, а также выделяются средства отдельными передовыми предприятиями.

Положительным фактором в этом вопросе является высокий кадровый и научно_технологический потенциал России,базирующийся на её известных интеллектуальных преимуществах. Российское образование высоко оценивается зарубежными предприятиями, и много русских специалистов работает в нанотехнических лабораториях по всему миру.

Итак, повторим еще раз! _ Согласно закону Мура, быстродействие компьютеров удваивается каждые 18 месяцев. Чтобы эта тенденция могла сохраняться в дальнейшем, необходимо, чтобы размеры тран-зисторов преодолели нанометровый рубеж. _ Нанотехнологии _ это технологии манипулирования веществом на уровне атомов и молекул с целью получения продуктов с наперед заданной структурой. _ Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана “Там внизу много места”, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. _ Для эффективного манипулирования атомами Эрик Дрекслер ввел понятие ассемблера-молекулярной наномашины, способной к саморепликации, которая может построить любую молекулярную структуру. Ассемблеры будут представлять собой синтез живых и технических систем. _ Пример эффективного природного ассемблера-механизм синтеза белка рибосомой. _ В настоящий момент главным оборудованием нанотехнологий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее популярны среди которых туннельный и атомносиловой микроскопы. _ Основным элементом зондовых микроскопов является зонд (кантилевер) _ сверхтонкая игла, позволяющая сканировать поверхность с атомарным разрешением. _ Работа СТМ основана на измерении колебаний туннельного тока, возникающего между зондом и поверхностью образца на расстоянии менее 0,5 нм. При изменении расстояния всего на 0,1 нм туннельный ток изменяется в 10 раз. Такие перепады позволяют с высокой точностью судить о рельефе поверхности на уровне атомов. _ СТМ может работать в двух основных режимах: а) постоянной высоты (острие иглы перемещается над образцом, а ток меняется) б) постоянного тока (ток поддерживается постоянным за счет перемещения иглы). _ В отличие от туннельного, атомно_силовой микроскоп позволяет исследовать не только проводящие, но и диэлектрические вещества (в том числе и биообъекты). Работа АСМ основана на измерении сил межмолекулярного взаимодействия, возникающих между зондом и поверхностью на малых расстояниях (порядка ангстрема). _ В 1985 году Р. Керл, Г.Крото и Р. Смолли открыли третье аллотропное состояние углерода- фуллерен, обладающее удивительными свойствами, за что были удостоены Нобелевской премии.Молекула фуллерена имеет форму футбольного мяча, и состоит из правильных пяти_ и шестиугольников. Свое название фуллерен получил в честь архитектора Бакминстера Фуллера, впервые придумавшего использовать подобные структуры в строительстве. _ В 1991 году Сумио Иидзима открыл нанотрубки _ цилиндрические углеродные образования, поразившие ученых физико-химическими свойствами. Нанотрубки бывают однослойные и многослойные, они гораздо легче дерева и в десятки раз прочнее стали, могут быть как проводниками тока, так и диэлектриками, обладают каппилярным эффектом и могут использоваться во многих областях науки и техники. _ Чем выше дисперсность частицы, тем больше площадь ее контакта с окружающей средой, что значительно влияет на химические и физические свойства данного вещества.