CC BY
15
Интригующие технологии
«Нанотехнологии — это этап развития естествознания, когда человечество поняло, что между отдельно взятым атомом или молекулой и «куском» вещества есть промежуточные фазы, стало изучать их и использовать полученные знания», — отмечает директор Института молекулярной и атомной физики (ИМАФ) НАН Беларуси член-корреспондент Сергей Гапоненко.
Когда была осознана важность нанотехнологий для самых различных технических применений, оказалось, что разработки белорусских ученых соответствуют уровню лучших современных лабораторий мира. Я был еще студентом-дипломником, когда начал изучать нанокристаллы, мой первый эксперимент, связанный с этими объектами, был поставлен в 1980 г., а первая статья опубликована в 1982 г.
В последние 5—10 лет в процесс получения и исследования наноструктур активно включились многие сотрудники нашего института. Причем направления самые разные: от фуллеренов и других кластеров, состоящих из малого числа атомов, до теории взаимодействия электромагнитного излучения с нанообъектами с целью создания новых источников и преобразователей излучения, различных компонентов нанофотоники. В эти исследования входят также систематическое изучение очень малых частиц полупроводников и соединение биологически важных молекул с полупроводниковыми нанокристаллами для разработки биосенсоров и центров формирования синглетного кислорода в живых организмах.
Основная цель нанотехнологии — максимально использовать свойства вещества на уровне небольшого числа атомов и молекул для различных применений. Трудно определенно сказать — каких. Много говорят о наноэлектронике, однако, когда фрагменты микросхем и транзисторов становятся меньше 10 нанометров, их свойства радикально меняются. Поэтому идея такова: целенаправленно воспользоваться этими физическими эффектами, чтобы создать сверхкомпактные устройства. В то же время пока еще рано говорить, что именно за наноэлектронными компьютерами будущее. Может оказаться, что с учетом экономических параметров и условий рынка они не смогут «побить» традиционные технологии, которые не стоят на месте и тоже развиваются.
НЕПРЕВЗОЙДЕННЫЙ ПРОЦЕССОР
Одно из наиболее интересных направлений, которое активно развивается в Институте молекулярной и атомной физики, связано с самыми передовыми тенденциями в области нанотехнологий. Экспериментальная часть такова: модельные биологические молекулы, похожие на хлорофилл, соединяются с полупроводниковой наночастицей размером примерно 2—2,5 нанометра. Затем
молекулы и наночастицы возбуждаются светом. Именно такие необычные пары, в которых молекулы через мостики химических связей находятся в контакте с полупроводником, изучают белорусские исследователи. Толчком к такой работе послужили определенные достижения в области синтеза и понимания процессов очень малых частиц полупроводников, к примеру, в кремнии.
Как известно, все живые организмы, включая человека и его мозг, самый лучший в мире процессор, технически пока непревзойденный, состоят из органических молекул. Ученые сегодня «замахнулись» на то, чтобы соединить полупроводниковый электронный мир с органическим. Успешные попытки осуществить задуманное, возможно, помогут изучению уникального органического процессора человека и полностью раскроют его способности.
ТАБЛЕТКИ ИЗ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ
Синглетный кислород — это химически активная форма кислорода, которая участвует во всех реакциях окисления. Если бы такой кислород доминировал в воздухе, то наш мир, наверное, сгорел бы. К счастью, природа устроена так, что эта форма
присутствует в очень небольших пропорциях по отношению к неактивному кислороду.
Инициировать синтез синглетного кислорода означает активизировать химические реакции. Для этого наши ученые используют нанопористый или наноструктурированный кремний. Этот метод стал не просто очередным экспериментально подтвержденным результатом белорусских исследователей. В Институте молекулярной и атомной физики на его основе разработана соответствующая методика для лечения онкологических заболеваний. Создан так называемый ФТД-лазер — прибор для фотодинамической терапии, также препарат хлорин е6, выпуск которого освоил концерн «Белмедпрепараты». Комплекс для проведения фотодинамической терапии сейчас используется в онкологическом центре в Боровлянах.
Исследования в области синглетного кислорода в Беларуси были начаты около 20 лет назад и в настоящее время вышли на физику наноструктур. В процессе поисков лучшего способа генерации создан наноструктурированный кремний. Теперь исследователи задумываются над тем, как шире использовать наноструктуры. Есть предположение, что в скором времени пористый кремний будут начинять лекарственными ингредиентами. Так что, возможно, следующим этапом в применении нанотехнологий на благо человечества будут таблетки из на-ноструктурированного кремния.
ОТ КОНТРАБАСА — К ГУБНОЙ ГАРМОШКЕ
Оптика — это фактически наука о поведении электронов в веществе, отмечает Сергей Гапоненко. Используя наноструктуры, можно создавать вещества с новыми оптическими свойствами. К примеру, вы берете орган, контрабас, виолончель и скрипку — все они звучат по-разному. Почему? Потому что в них могут существовать волны различной длины, и чем они больше, тем более низкие звуки издаются. Представьте, что вы, начали с органа и постепенно, уменьшая размер трубы, получили флейту-пикколо, а то и вообще губную гармошку. Примерно то же самое мы делаем с электронами, изучая их поведение в очень малых кусочках вещества. Обнаружено, что если уменьшать объект, то изменяются все свойства, которые определяются электронами, — электрические и оптические. Возьмем, например, кремний. Если его поделить на очень маленькие кусочки — нанообъекты, под действием оптического излучения он начинает пылать как свеча.
На одной из международных конференций, к слову, был оглашен такой вопрос: «Можно ли из кремния сделать лазер?». В данный момент из этого вещества можно создавать только микросхемы, транзисторы и так далее, но если на самом деле окажется возможным сотворить лазер — это будет большим прорывом.
фиаско оптических компьютеров
Белорусским исследователям, как и ученым всего мира, 20 лет назад казалось, что будущее — за оптическими компьютерами. Была принята даже специальная союзная программа по этой тематике.
Преимуществ перед обычным электронным компьютером у оптического было много. К примеру, если в электронном за один такт можно обработать только один бит информации, то в оптическом — один гигабит — за счет параллельной обработки сигналов, подобно тому, как человек воспринимает изображение. Оптический компьютер должен был работать согласно принципу, что битом информации является не импульс «да — нет», а матрица, которая представляет собой изображение. Его размер в современных цифровых фотокамерах составляет 6 мегапикселей. Вот они и должны были прийти на смену одному импульсу, то есть в 6 млн раз увеличить скорость обработки информации. Однако ничего не получилось. Появились ноутбуки, плоские экраны, Интернет, домашнее видео — оптический компьютер остался невостребованным. Его начали заменять электронными компьютерами, объединенными в одну систему. Это позволило примерно в 100 раз поднять производительность и добавить возможности параллельным процессорам. И идея, что оптические компьютеры осчастливят человечество, канула в Лету.
Чтобы понять, была ли задумка плохой, необходимо сопоставить объемы вложений в электронные компьютеры и в оптические, в электронику и в оптику. Они различаются, наверное, раз в сто. К примеру, только фирма «Интел» на разработку компьютерных процессоров потратила в общей сложности 300 млрд долл. США. Приводились и такие цифры: на создание оптического компьютера и повсеместное его внедрение необходимо вложить 1 трлн долларов. Это ВВП такой страны, как Китай.
оригинальный МЕТОД
Материал с новыми оптическими свойствами, так называемый пористый оксид алюминия, научились создавать физики в БГУИР. Своим оригинальным методом они получают уникальные структуры, состоящие из микроскопических пор диаметром от 10 до 100 нанометров. Для создания подобных структур за рубежом используют очень дорогостоящую технологию предварительного нанесения рисунка электронным пучком. Обычными способами, опробованными в микроэлектронике, их получить невозможно, так как ее разрешающая способность — всего 130 нанометров. Однако ученые из БГУИР докопались до глубин самоорганизации в электрохимических процессах и предложили нанотехнологию, не предусматривающую предварительного нанесения рисунка.
На одном из международных форумов белорусские исследователи представили полученные структуры. Сотрудник одной японской фирмы, рассмотрев их в микроскоп, был изумлен и спросил: «Где вы взяли эти нанообъекты, ведь у вас нет таких технологий?».
в микромир—со скоростью СВЕТОВОЙ ПУЛИ
Изучение свойств фотонных кристаллов общенаучный международный журнал «Science» назвал в десятке самых важных направлений в науке конца прошлого века. Управлять распространением света на уровне наноразмеров и наноматериалов в Беларуси пытаются давно, и как показывает время, успешно.
12
НАУКА И ИННОВАЦИИ №7(41)_2006
Так, в Институте молекулярной и атомной физики разработан уникальный прибор — фемтосекундный лазер, позволяющий генерировать импульсы с длительностью примерно 100 фемто-секунд. Для сравнения, за такое время луч света проходит всего несколько миллиметров. Однако такие процессы лежат в основе жизни на Земле. Что происходит, к примеру, в зеленом листе при поглощении кванта света? Он способствует возбуждению электронов в молекулах и лежит в основе цепочки сложных превращений, в конечном итоге приводящих к получению энергии.
В эксперименте ученых совершается то же, только за очень короткий период времени. Порция света (световая пуля) посылается в тонкий слой (50 нанометров) полупроводника, где создается сверхбольшая концентрация неравновесных электронов. Иными способами ее получить нельзя. Благодаря фемтосекундному лазеру наши исследователи имеют совершенно уникальную информацию о процессах, происходящих на микроуровне. Это единственная в своем роде установка. Аналогичные приборы требуют специально оборудованного помещения и высококвалифицированного обслуживания, так как работают по принципу непрерывной лазерной накачки. В основу белорусского фемтосекундно-го лазера изначально положен импульсный режим работы всей системы, что снижает требования к оптике и внешним условиям. Сейчас данный лазер задействован в выполнении 4-х государственных программ, используется для проведения исследований в рамках международных проектов.
МИРОВОЕ ПРИЗНАНИЕ
По данным международного агентства научной информации, в области физики полупроводниковых нанокристаллов исследования в Беларуси ведутся на высоком уровне. Всего в мире по этой тематике публикуется больше тысячи статей ежегодно. Специалисты международного агентства выбрали 25 тем, по которым издается
Фемтосекундный лазер
максимальное количество статей, провели мониторинг людей, институтов, стран. В число 25 ведущих стран в мире в области нано-технологий попала и Беларусь. Причем в абсолютной категории, без нормирования на численность населения. То есть в этом же списке расположился и Китай с его миллиардным населением, и Индия, и Америка. Несмотря на то что по численности населения наша страна в 100 раз меньше, чем КНР, по научным результатам по нанотематике мы с ними наравне. Возглавляют же список США, Япония, Германия и Россия.
Ярким свидетельством признания достижений белорусских исследователей в области изучения наноструктур можно считать и издание научной литературы наших авторов ведущими мировыми издательствами: Кембриджского университета, «Шпрингер», «Клювер», «World Scientific» и др. По словам директора ИМАФа Сергея Гапоненко, сегодня тематика, связанная с наноструктурами и нанотехнологиями, в большей степени финансируется из заграничных источников, чем из национальных. Из-за рубежа привлекаются средства по различным проектам и программам. Сотрудники института участвуют в реализации проектов Международного научно-технического центра, фонда «Wolzvagen», 6-й Рамочной программы Европейского Союза. По данной тематике в институте выполняется уже 4-й проект ИНТАС. Много грантов и стипендий по нанотехнологиям у молодых ученых.
у нанотехнологий большое будущее
По мнению Сергея Гапоненко, посвятившего изучению наномате-риалов более 20 лет и имеющему совокупный индекс цитирования научных статей в этой области более 1 тыс., в настоящее время ни одна страна в мире не в состоянии поднять весь пласт исследований по нанотехнологиям в одиночку. Может быть, на это способна только Европа в целом, потому что необходимы гигантские вложения и концентрация очень большого числа специалистов. Тем более что не вполне ясно, какими будут результаты.
Развитие лазерной техники предполагало ее самое широкое применение в медицине, технологических производствах, но оказалось, что сегодня 99% всех лазеров выпускаются именно для CD-проигрывателей или компьютеров. Совершенствуя ЭВМ, никто не представлял нынешние возможности Интернета. Когда проектировали и запускали первые космические корабли, не шло речи о спутниковом телевидении или глобальной системе позиционирования, предлагающей для нас современную систему навигации. Наверняка ни Циолковский, ни Королев не могли предугадать, какие функциональные задачи будут решать искусственные спутники Земли.
За нанотехнологиями большое будущее. При этом они не отодвинут в сторону остальные технологии, а обогатят их, приведут к созданию новых возможностей. По мнению специалистов, в этой сфере могут быть сделаны такие открытия, которые сегодня воспринимаются как фантастические.
Снежана МИХАЙЛОВСКАЯ
