Кажущийся почти необозримым спектр нанотехнологий создает сегодня сразу несколько направлений прорыва в сферах медицины и биотеха, электроники, энергетики и новых материалов…

Рисунок: Константин Батынков
 
В известном докладе американской RAND Corporation «Глобальная технологическая революция-2020», опубликованном в 2006 году, специально выделены четыре основных направления НТП, которые окажут наибольшее влияние на будущее нашей цивилизации. Это биотехнологии, нанотехнологии, технологии создания новых материалов и информационные технологии.

В то же время при более детальном анализе среднесрочных революционных перспектив, по версии ведущего мозгового центра США, становится достаточно очевидным, что на самом деле следует говорить не о четырех автономно развивающихся отраслях науки и технологии, а об одном могучем кластере, интегрирующем внутри себя практически все основные исследовательские проекты и разработки этих отраслей.

Растущая мультидисциплинарность научно-исследовательских проектов и постепенная конвергенция различных отраслей научного знания, безусловно, уже сегодня могут считаться важнейшим трендом, определяющим долгосрочную динамику современного НТП. И на примере четырех главных драйверов глобальной технологической революции начала XXI века, обозначенных аналитиками RAND, этот тренд, пожалуй, проявляется особенно заметно.

Технологии атомарной точности

По сути, все эти новые двигатели НТП уже давно совместно разрабатывают одно и то же исследовательское поле, методично выявляя особенности поведения крошечных объектов и структур, проявляющиеся прежде всего на пресловутом наноуровне.

Согласно хитроумному определению, предложенному разработчиками американской Национальной нанотехнологической инициативы, все нанотехнологические проекты должны соответствовать трем главным критериям:

эти исследования должны осуществляться на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне — в диапазоне от 1 до 100 нм;

в ходе исследований должны создаваться структуры, приборы или системы, обладающие благодаря их малой размерности новыми свойствами и функциями;

эти свойства и функции можно контролировать или видоизменять на атомарном уровне.

Применив данные критерии ко многим научно-технологическим проектам, формально относящимся к сфере деятельности современной физики, химии и биологии (или, продолжая эксплуатировать набор, предложенный RAND, биотеха, IT и технологий создания новых материалов), нам неизбежно придется заняться массовым наклеиванием на них приставки «нано». Поэтому, в который уже раз признав правоту Козьмы Пруткова, не станем пытаться объять необъятное, а ограничимся лишь краткой экскурсией по наиболее плодородным наноугодьям.

Но сначала процитирую фрагмент из моего интервью 2006 года с ведущим мировым специалистом по физике поверхностей и нанометровых структур Доном Эйглером (одним из создателей сканирующего туннельного микроскопа). Он, в частности, отметил: «Особенно многообещающими сегодня выглядят перспективы нанотехнологий в медицине, например в разработке технологий целенаправленной доставки лекарственных препаратов в зараженные участки тела или, скажем, в выращивании на основе искусственных нановолоконных цепочек синтетических молекул, стимулирующих рост различных клеток.

Помимо медицины большой интерес представляют новые квантовые точки (крупные искусственные молекулы размером порядка нескольких нанометров, которые состоят из десятков и сотен тысяч атомов и создаются на основе обычных неорганических полупроводников) и новые типы источников света. Серьезные надежды связываются также с нанофотоникой, в частности, с тем, что на ее базе мы получим новые высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций и существенно улучшим технические характеристики компьютеров. Далее, очень активно идут эксперименты по созданию различных наночастиц, в частности, значительный интерес вызывает работа над тем, как они могут быть использованы для преобразования различных видов энергии и кардинального снижения наших общих энергозатрат — энергетическое направление, по моему мнению, вообще второе по значимости после медицинского.

И еще одно важнейшее направление — создание различных новых наноматериалов. На этом направлении достигнуты серьезные успехи, а материалы, в состав которых входят наноструктурные элементы, приобретают массу дополнительных полезных свойств, скажем, становятся более упругими, крепкими, прочными и так далее».

Несмотря на то что эти общие оценки перспектив нанотехнологий были даны Доном Эйглером «целых» три года назад, они и сегодня абсолютно не устарели. Так, наномедицина и, шире, нанобиотех, безусловно, были и остаются лидирующими направлениями в нанотехнологическом комплексе, привлекающими многомиллиардные инвестиции как на государственном, так и на корпоративном уровне. От наномедиков и нанобиологов сегодня ждут чуть ли не скорого избавления от всех болезней и изобретения волшебного рецепта вечной молодости. И, пожалуй, один лишь сухой перечень прогнозируемых различными форсайт-конторами в средне— и долгосрочной перспективе нанобио— и наномедицинских прорывных разработок и открытий способен ввести в состояние долгой эйфории любого гомо сапиенса, испытывающего беспокойство по поводу своего здоровья и здоровья близких ему особей.

Что же касается второй, по классификации Эйглера, синтетической дисциплины, наноэнергетики, ограничимся здесь лишь упоминанием о двух ее ключевых направлениях. Во-первых, очень большие надежды сегодня связываются с применением новых нанотехнологических методик для создания сверхдолгоживущих компактных источников питания (батарей и аккумуляторов). Один из векторов развития этих методик связан с поиском новых технологических возможностей интегрирования наноматериалов и наночастиц в традиционную архитектуру зарядных устройств, другой — с разработкой принципиально новой архитектуры, основанной на микро— и наноэлектромеханических системах (МЭМС и НЭМС). Во-вторых, активно разрабатываются новые технологии использования наночастиц в фотоэлектрических элементах/источниках энергии (панелях солнечных батарей), как для производства этих фотоэлементов при более низких температурах, так и с целью повышения их общего КПД.

Третье (а для кого-то, быть может, и первое) по значимости направление развития нанокомплекса — разработка новых поколений электронных устройств и приборов, использующих необычные физические свойства материи и вещества на наноуровне.

Так, мировая компьютерная индустрия на протяжении многих лет занята лихорадочными поисками возможных замен традиционной технологии CMOS (металл-оксид-полупроводниковой технологии построения электронных схем, в которой используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости) и разработкой базовых принципов технологии «пост-CMOS» на базе различных наноустройств цифровой логики, памяти и связи.

Сегодня достаточно очевидно, что в течение ближайших 10–15 лет дизайн микроэлектронных схем претерпит существенные изменения. Причем это будет обусловлено как все возрастающей трудоемкостью применения традиционных технологий — литографии, травления, допирования (введения примесей) и др. — для все более миниатюрных объектов, так и все усиливающейся необходимостью эффективно управлять ростом наноструктур и наноструктурных материалов. В конечном счете исследователям необходимо получить такое управление ростом, при котором электронные и структурные свойства наноматериалов можно было бы четко контролировать и использовать в дальнейшем при компоновке микроэлектронных схем. Данная задача уже почти решена для многих типов наноструктур, например для нанотрубок, нанопроводников и квантовых точек, но для электродных материалов и диэлектриков и для таких новых материалов, как органические наноструктуры, это сделать еще предстоит.

Впрочем, по мнению разработчиков дорожной карты «Производственные наносистемы. Обзор технологических перспектив», официально опубликованной в 2008 году по заказу министерства энергетики США, ключевым направлением дальнейшего развития всего нанотехнологического комплекса должны стать так называемые технологии атомарной точности (ТАТ), под которыми, в широком смысле, понимаются любые технологии, использующие сложные структуры, составленные из атомов в строго определенной конфигурации.

На первом этапе американскими аналитиками рассматриваются базовые принципы организации атомарно точных производственных процессов (ПАТ), в которых используется управляемая последовательность операций для конструирования (сборки) структур с атомарной точностью. Конкретный пример управления такими процессами — сканирующие зонды на кристаллических поверхностях.

Позднее на базе ТАТ должно получить развитие создание производственных наносистем с атомарной точностью (ПНАТ), которые самостоятельно обладают атомарной точностью. В частности, все биологические системы ПАТ одновременно уже являются ПНАТ.

Умные материалы

Список потенциально возможных продуктов, которые можно будет получить с использованием технологий атомарно точного производства (ПАТ), в частности, включает уже упомянутые выше терапевтические наноагенты адресной доставки, эффективные солнечные фотоэлементы, обладающие высокой удельной мощностью водородные топливные элементы, различные одномолекулярные и одноэлектронные сенсоры, устройства компьютерной памяти со сверхвысокой плотностью, высокоселективные химические катализаторы и наномембраны и т. д.

Иными словами, авторы этой американской дорожной карты пытаются инкорпорировать в ПАТ практически весь уже имеющийся или только разрабатываемый нанотехнологический арсенал. Насколько правомерна подобная терминологическая и методологическая редукция, сказать трудно, да и, в конце концов, обычным гражданам все эти концептуальные надстройки, скорее всего, не слишком интересны.

Рисунок: Константин Батынков

Куда понятнее и осязаемее выглядят сами новые нанотехнологии, а также новые наноматериалы с уникальными физическими свойствами и характеристиками.

К числу таких новых наноматериалов сегодня прежде всего относят наночастицы, углеродные нанотрубки, полупроводниковую или металлическую нанопроволоку, композиты, содержащие те или иные нанокомпоненты, а также искусственно сконструированные или самоорганизующиеся наноструктуры (самосборные структуры атомарной точности, если снова воспользоваться терминологией авторов дорожной карты-2008).

Дабы не углубляться в мириады открывающихся на наноматериальном фронте технологических возможностей и перспектив, приведем еще лишь два конкретных примера, заимствованных из доклада RAND Corporation.

По оценкам американских аналитиков, к 2020 году на базе нанокомпозитных структур могут быть созданы «умные» строительные материалы, гибко адаптирующиеся к окружающей среде и саморегулирующие свои свойства в зависимости от меняющихся погодных условий. Одна из таких перспективных разработок — долгоживущие нанобетонные композиты, самовосстанавливающие исходную внутреннюю структуру после различных повреждений и самоочищающие свою поверхность от внешних загрязнений.

Другое симпатичное направление из недалекого будущего — «умные» ткани со встроенными источниками энергопитания, электронными датчиками и сенсорами, а также специальными нановолокнами, обладающие водо— и грязеотталкивающими свойствами и способные саморазглаживаться. Помимо чисто эстетических достоинств, которые, несомненно, привлекут к ним повышенное внимание рядовых потребителей, подобные наноткани должны найти активное применение и в военной сфере (благодаря своим дополнительным защитным свойствам и, скажем, возможности искусственно регулировать температурный режим и уровень влажности), а также на опасных производствах, где необходимо быстро реагировать на воздействие вредных веществ и субстанций. Кроме того, весьма перспективным для таких нанотканей представляется медицинский рынок — оснащенные разнообразными сенсорами предметы одежды могут оказать неоценимую помощь врачам в дистанционном контроле за состоянием здоровья пациентов.