Современное состояние рынка нанотехнологий
Сегодняшний уровень зрелости нанотехнологий примерно соответствует уровню зрелости ИТ 60-х годов XX века. Правда, по скорости взросления наноподходы значительно опережают своих информационных "коллег". Текущие достижения пока весьма разрозненны и не систематизированы. Наиболее значительных прикладных успехов добились, конечно, производители микроэлектроники. Кроме того, в самое ближайшее время ожидается начало массового и дешевого производства нанотрубок, что окажет стимулирующее влияние на выпуск новых материалов, отличающихся повышенной прочностью и легкостью. Ведущие косметические и фармацевтические фирмы также начинают переход к нанотехнологиям. Правда, изготавливаемые с их помощью препараты пока остаются самыми дорогими в своих категориях.
И в других областях промышленности достижения единичны, хотя нет никаких принципиальных препятствий к масштабному использованию нанорешений – дело только за совершенствованием технологических процессов, на что уйдет три – пять лет.
Электроника
Собственные нанопрограммы развивают практически все ведущие разработчики электроники – IBM, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Mitsubishi, Motorola, NEC, 3M и др. Специалисты Intel совместно с учеными университета Беркли продемонстрировали одноэлектронный транзистор на базе открытых нобелевскими лауреатами Ричардом Смэлли, Робертом Карлом и Хэрольдом Крото фуллеренов (молекул углерода С60), служащих сегодня основой углеродных нанотрубок. А в ряде японских фирм уже проектируются одноэлектронные логические схемы.
Нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM, предложил несколько лет назад технологию миллипедов (millipede). Он обратил внимание на способность силового микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить миллипеды к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество таких ямок. В результате нынешнюю плотность записи данных на жестких дисках (100 Гб на 1 кв. см) IBM обещает повысить в десятки раз с помощью нескольких сотен параллельно работающих нанозондов. А в компании Hitachi отрабатывается технология смены полярности наномагнитов, кодирующих биты. К 2010 г. с ее помощью плотность записи данных можно будет увеличить в 100 раз.
Значительное внимание нанотехнологи уделяют направлению микроэлектромеханики MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) – миниатюрным промышленным системам, объединенным с чипами. По оценкам NEXUS (Европейская ассоциация MEMS-производителей), MEMS-рынок вырастет с 240 млн. долл. в 1996 г. до 690 млн. долл. к 2005-му.
В этом году стало известно о переговорах представителей компаний Intel, AMD и Apple с руководством фирмы Cooligy, выпускающей MEMS-системы водяного охлаждения процессоров. Предложенный Cooligy электрокинетический MEMS-нанос прогоняет воду по микроканалам процессора, снимая в четыре раза больше тепловой энергии (1 кВт), нежели существующие системы воздушного охлаждения.
Военное научное агентство DARPA на базе MEMS готовит микросамолет длиной 15 см и массой 50 г, способный держаться в воздухе 60 мин, подниматься на высоту 10 км и двигаться со скоростью 30 км/ч. Он оборудован видео- и инфракрасной камерами и радаром, а его бортовой микрокомпьютер обеспечивает самостоятельное движение по заданному маршруту.
Но на смену недавно появившемуся термину MEMS уже спешит новый – NEMS (наноэлектромеханика), и MEMS-производители обещают на базе нанотехнологий выпустить через год-два умные радиодатчики RFID с микроантеннами.
Энергетика
Ученые университета г. Тулса (шт. Оклахома) изобрели батареи размером 1 мкм, которые прекрасно подойдут для питания крохотных роботов. В научных институтах ряда стран проходят финальные стадии экспериментов по созданию углеродных электродов на основе одностенных нанорожков (особой разновидности нанотрубок) для метаноловых топливных элементов, способных обеспечивать десятки часов непрерывной работы ноутбуков и мобильных телефонов.
Наночастички разных материалов служат отличным катализатором. Так, добавленное в сырую нефть нанозолото значительно повышает качество процесса ее очистки. А присадка к топливу на основе углеродных трубок приводит к его более полной утилизации, снижая к тому же уровень вредных выбросов.
В университете Беркли запущен электрический однолопастный ротор размером 300 нм. Лопасть прикреплена к валу, сделанному из углеродной трубки.
Медицина
На смену проекту "Геном человека" пришел проект "Геном эпитаксиального слоя человека", фиксирующий химические процессы, способные запускать или останавливать работу различных человеческих генов. Такую работу можно выполнить только на базе современных нанодостижений. А Минздраву России с помощью нанотехнологий удалось расшифровать генетический код вируса атипичной пневмонии, полученного у единственного заболевшего ею российского гражданина.
В университете Лос-Анджелеса создан зонд, состоящий из одной молекулы длиной 20 нм и способный образовывать временные связи с отдельными участками молекулы ДНК. Структуру ДНК можно при этом фиксировать в процессе томографического сканирования образцов растворов, содержащих такие молекулярные комплексы. Институт аналитического приборостроения РАН разработал ДНК-анализатор "Нанофор 03-С", определяющий последовательности молекул и выполняющий фрагментный анализ ДНК с разрешением в один нуклеотид.
Компания Rutgers трудится над наномотором (проект Viral Protein Nano Motor) для устройства, перемещающегося по кровеносной системе человека и восстанавливающего поврежденную клеточную структуру. Сегодня все крупнейшие фармацевтические компании занимаются созданием систем клеточной доставки лекарств, подразумевающих перенос нанороботами целебных молекул прямо к вредоносным бактериям.
Помогли нанотехнологии и биологам. С их помощью австралийский геолог Филиппа Уине смогла выявить бактерии размером 100 нм (так называемые нанобы) в образцах, пролежавших в грунте сотни миллионов лет. Ранее считалось, что живая клетка не может поддерживать нормальный обмен веществ, если ее размер не превышает 200 нм. Но оказалось, что нанобы отлично живут и размножаются – правда, только в коллективе. В колонии нанобов различные группы бактерий берут на себя разные функции по поддержанию общей жизнедеятельности.
Промышленность
Концерн BMW разрабатывает на базе нанопорошков самоочищающиеся автомобильные поверхности, а в Audi такие порошки применяются для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам. Процессоры Intel и AMD полируются нанопорошком, что позволяет избежать загрязнения поверхности микроскопическими пылинками. Активно используются нанопорошки при изготовлении DVD-дисков.
В Калифорнийском университете создана легкая пена, содержащая наночастички стекла и превращающаяся после затвердевания в высокопрочный материал. Другая находка этих ученых, – материал, поверхность которого представляет собой множество игл длиной несколько нанометров, – будет применяться для покрытия корпусов подводных лодок. Он позволит снизить уровень трения корпуса о воду и сделает субмарины бесшумными. А еще одно достижение калифорнийцев, источник когерентного излучения на базе одного атома цезия, упростит управление будущими квантовыми компьютерами.
Ученые из российского Института общей физики РАН и Института нанотехнологий Международного фонда "Конверсия" вырастили на поверхности алюминия с хромовым покрытием с помощью установки нанолитографии "Луч-2" углеродные объекты размером 3 нм.
В Принстонском университете разработан деформируемый электропроводник, который можно растягивать в два раза (до сих пор лучшие эластичные проводящие материалы растягивались на 5–10%). Он представляет собой проводящий слой из золота толщиной 25 нм. Теперь появляется возможность создавать переносные надувные компьютерные сети и кожу для роботов, способную передавать "ощущения" и упрощающую управление периферийными системами.
Пока наиболее востребованным товаром на рынке наноматериалов остаются углеродные трубки. Компания Carbon Nanotechnologies продает их по цене 500 долл. за 1 г, а в день она изготавливает около 1 кг трубок. Небольшие объемы производства объясняются не только ограниченными мощностями. Фирмы, выпускающие товары массового спроса, не спешат использовать нанотрубки прежде всего потому, что их пока нельзя закупать в больших количествах. Но такой замкнутый круг будет разорван уже в ближайшие 2–3 года, когда объем производства углеродных трубок вырастет в сотни раз.
Особое внимание нанотехнологи уделяют кристаллографии. Дело в том, что ручная сборка одного наноустройства из атомов может потребовать нескольких лет, а до появления молекулярных роботов-сборщиков еще далеко. Поэтому немало исследований направлено на поиск технологий выращивания наноматериалов и наноустройств в виде кристаллов, которые к тому же по достижении определенного размера могут распадаться на множество копий с идентичной структурой.
Институт кристаллографии РАН представил технологию управляемого выращивания нитевидных кристаллов кремния (так называемые острийные наноструктуры), за рубежом пока отсутствующую. Радиус закругления на вершинах кристаллов составляет всего 2 нм, что позволяет использовать их в наноэлектронике как точечные источники электронов в лучевых приборах. Еще один проект ИК РАН – подготовка трековых наномембран с порами 50–5000 нм, применяемых в проектах выделения вирусов, тонкой очистки воздуха или жидкости и во множестве других задач.
А создаваемый в ИК РАН компьютерный программный комплекс BARD (базовый анализ рефлектометрических данных) позволит определять электронную структуру тонких (в том числе нано-) пленок, анализируя различные виды рассеиваемого ими излучения. Производители, зная детальную структуру нанопленок, смогут выпускать их промышленные образцы высокого качества.