CC BY
130
ИННОВАЦИИ № 11 (109), 2007
Нанотехнологии в современном обществе
С. В. Козырев,
к. ф.-м.. н.,
директор Центра перспективных исследований СПбГПУ, член координационного совета по развитию нанотехнологий при Комитете Совета Федерации по науке, образованию,
здравоохранению и экологии
Становится все более очевидным тот факт, что мы живем в период осуществления новой научно-технической революции, плоды которой в корне изменят технологическую среду наших потомков. Фундамент этой революции — развитие нанотехнологий и последующая конвергенция нано, био- и инфотехнологий [1-3].
Приставка «нано» происходит от греческого слова «паппоз», т. е. «карлик», и обозначает одну миллиардную часть какой-либо величины — множитель 10-9 (при оперировании с наноматериалами и нанотехнологиями имеется в виду одна миллиардная часть метра). Для того, чтобы оценить этот масштаб, напомним, что размер атома углерода составляет 0,3 нм, самый маленький вирус — вирус «табачной мозаики» — 20 нм.
Многие элементы живой природы по своим размерам являются объектами наномира: так рибосомы имеют размеры порядка 20 нм, конденсированные хромосомы — 200 нм, одна из самых больших биомолекул — белок коллаген (компонент соединительной ткани) имеет длину около 300 нм. Следовательно, наномир находится на границе между атомными системами и макроскропическими телами, на границе между неживой материей и возникновением структур живого. Принципиальным и главным следствием такого положения является то, что свойства нанообъектов существенно определяются квантовыми закономерностями их поведения, в отличие от объектов мак-
роскопических размеров, свойства которых определяются закономерностями классической физики.
Впервые термин был предложен Нори Танигучи (Nori Taniguchi) в 1974 году на конференции Японского общества точного машиностроения. Однако сама идея нанотехнологий появилась несколько раньше. 29 декабря 1959 года Ричард Фейман сделал свой знаменитый доклад в Калифорнийском технологическом институте на рождественском обеде Американского физического общества «Там внизу — море места: приглашение вступить в новую область физики» [4]. Это приглашение войти в новый мир физики прозвучало в то время фантастично. Р. Фейман восхитился совершенством биологических систем, подчеркнул актуальность работ по сжатию информации и созданию миниатюрных компьютеров и роботов. Был поставлен вопрос о необходимости учета квантовых явлений в небольших атомных ансамблях и заявлено о том, что законы физики не запрещают манипулирования объектами на атомно-молекулярном уровне.
Далее огромную роль в популяризации и развитии нанотехнологий сыграл Эрик Дрекслер (Kim Eric Drexler). В конце 1970-х, вдохновленный докладом Р. Феймана, он начал разработку идей о создании молекулярных нанотехнологиий. А в 1986 году вышла книга Дрекслера «Машины создания»(Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology), в которой автор впервые описывает то, что позднее будет называться молекулярной нанотехнологией. В своей
72
Нанотехнологии Санкт-Петербурга
книге Дрекслер провозгласил идею наноуровневого «ассемблера», способного строить копии самого себя и других систем произвольной сложности. Здесь же Дрекслер дал гипотетический прогноз развития событий, при котором самовоспроизводящиеся нанотехнологии выходят из-под контроля — иными словами, еще один вариант «конца света» [5] .
Таким образом, в нанотехнологиях мы переходим от работы с веществом в целом к работе (контролю, манипуляциям и управлению) с отдельными атомами, молекулами и кластерами (группами атомов); от использования макроскопических «средних» свойств материалов к использованию свойств отдельных молекул и ансамблей. Многообразие, изменчивость и квантовые эффекты — эти особенности наномира и обусловливают революционные перспективы создания новых материалов, приборов и технологий.
Отметим, что в русскоязычной научно-технической литературе термином нанотехнологии обозначается также и наука о наносистемах — в отличие от ситуации англоязычной литературе, где используются два термина: «nanotechnology» и «nanoscience».
В более узком смысле мы рассматриваем нанотехнологии как набор методов для получения наноструктур. Соответственно, наноструктуру, обладающую какой-либо функцией, можно назвать наносистемой. Каковы же должны быть принципы построения наносистем?
Принципы построения наносистем. Условно обозначим четыре основных из них: принцип предельной миниатюризации, принцип построения системы «снизу-вверх», принцип самоорганизации и принцип распределенной структуры.
Хорошим примером принципа миниатюризации является развитие электронной техники. В сравнении с первой программируемой вычислительной машиной ЭНИАК, занимавшей огромную комнату и выполнявшей около 5000 операций в секунду, современные персональные компьютеры с многоядерными процессорами кажутся фантастикой. Вычислительная техника развивается согласно известному закону Мура: «Степень интеграции увеличивается в четыре раза за три года». Производители интегральных схем на основе кремния уже освоили 45-нано-метровую технологию. Ожидается переход на молекулярную наноэлектронику, которая позволит осуществлять 1-2-нанометровую технологию.
Принцип построения системы «снизу-вверх». Здесь уместно привести пример из области живой природы. Макромолекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) построена и функционирует по принципу «снизу-вверх». Первичная структура — это последовательность нуклеотидов, входящих в состав нить, две нити образуют двойную спираль — вторичная структура, и то, как пространственно организуется сама двойная спираль — третичная структура, например, клубок. Такой принцип построения позволяет молекуле ДНК функционировать и выполнять необходимые биологические функции.
Выразительнейший пример действия принципа самоорганизации — процесс образования фуллеренов из плазмы. В данном случае происходит самоорганизация наносистем из хаоса, что является одной из
интереснейших проблем современной науки. Другой пример в более традиционных материалах — полупроводниках. Мировую известность получили работы лауреата Нобелевской премии академика РАН Ж. Алферова и его учеников по исследованию и использованию процессов самоорганизации в ансамблях квантовых точек в неравновесных процессах при молекулярно-пучковой эпитаксии [6-7]. И, наконец, наносистемы на основе биологических молекул, таких как, например, ДНК. Процесс самоорганизации в ней необходим для нормального функционирования, а его нарушение ведет к необратимым последствиям.
Принцип распределенной структуры. Он заимствован из живой природы и относится к возможности выполнения целевой полезной функции путем объединения отдельных однотипных или специализированных наноустройств в единую мини- или макросистему. В настоящее время реализаций таких систем нет, и обсуждаются лишь принципы их построения. Так, например, исследователи во главе с профессором Баркером из Центра наноэлектроники университета Глазго в Шотландии подготовили доклад об использовании при изучении других планет «умной пыли» — компьютерных микрочипов в пластиковой оболочке, которая сможет менять свою форму при подаче электрического импульса и двигаться в заданном направлении. Предполагается, что из таких устройств можно будет в случае необходимости формировать рои.
Размышляя о возможностях распределенных наносистем, неизбежно приходишь к проблемам экологических и биологических рисков развития нанотехнологий. Польский футуролог и фантаст Станислав Лем в романе «Мир на Земле» рисует апокалипсическую картину «Да и что самый храбрый и опытный солдат, обвешанный гранатами, мог поделать с микроскопическим и мертвым противником? Не больше, чем врач, который решил бы сражаться с микробами холеры при помощи молотка. Среди туч микрооружия, самонаводящегося на заданные цели, оружия биотропического, то есть уничтожающего все живое, человек в мундире был беспомощен, как римский легионер со щитом и мечом под градом пуль».
К сожалению, все значительные технологические достижения человечества несли, и будут нести в себе риски и возможности негативных применений. Нанотехнологии здесь не исключение.
Наноуглерод и нанобионика. Весьма значительными по своим последствиям представляются открытия конца ХХ века в сфере самоорганизации наноструктур из углерода. Ранее были известны лишь две формы химически чистого углерода — алмаз и графит, а теперь открыто многообразие природных форм: фул-лерены, нанотрубки, графены, онионы и ряд других видов наноуглерода.
Фуллерены С60 были первыми наноуглеродными структурами. За их открытие в 1985 году H. W. Kroto, R. F. Curl, R. E. Smalley (США, Великобритания) получили в 1996 году Нобелевскую премию по химии. Благодаря фуллеренам появилась новая «трехмерная» химия углерода и теперь имеется ряд важных практических результатов в области новых полимеров, в том числе, для применений в качестве фото-
ИННОВАЦИИ № 11 (109), 2007
ИННОВАЦИИ № 11 (109), 2007
чувствительных пленок для дешевых солнечных элементов [8]. Модифицированные, содержащие внутри себя атом гадолиния, эндофу-лерены используются в качестве контрастного вещества в ЯМР-диагностике.
Физические, химические и биологические свойства другого класса наноуглеродных структур — нанотрубок — сейчас является объектом широких научных ис-Тибриднаянаноструктура следований. По коли-
молекула ДНК — фуллерены 110/ *
честву научных публикаций они наиболее интенсивно исследуемая искусственная наносистема. С прикладной точки зрения самые интересные приложения нанотрубок — первые автоэлектронные эмиттеры для малогабаритных рентгеновских трубок, появление в продаже электрохимических источников тока и суперконденсаторов с улучшенными параметрами. Фуллерены, нанотрубки и другие формы наноуглерода постоянно тестируются как наноструктурный элемент композиционных материалов самого широкого назначения: от покрытий космических аппаратов до строительных материалов и биосовместимых материалов.
Ведутся небезуспешные исследования применений нанотрубок в наноэлектронике для межсоединений и полевых транзисторов В то же время у них здесь появился серьезный конкурент — графен, развернутая в двухмерный лист углеродная нанотрубка (или наноматериал графен), на основе которого уже созданы графеновые полевые транзисторы. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что позволяет рассматривать его в качестве весьма перспективной основы на-ноэлектронных устройств. На основе углеродных нанотрубок уже созданы первые лабораторные образцы полнофункциональной рабочей микросхемы, способной работать на терагерцевых частотах, и первый прототип сверхъемкой флэш-памяти.
Другой областью будущих практических применений наноуглерода считается медицина, для которой ожидается получение новых классов материалов и лекарственных веществ, отличающихся как по химической структуре, так и механизму своего действия. Наконец, еще одной перспективнейшей областью использования нанотехнологий является рождающаяся на стыке нано- и биотехнологий нанобионика.
Сам термин нанобионика (папоЫошсБ) был предложен в 1999 году С. В. Козыревым, Д. В. Лещевым и П. П. Якуцени [9] из Центра фуллеренов и наносистем ИВВиБД Миннауки РФ (сейчас — Центр перспективных исследований СПбГПУ, ЦПИ СПбГПУ). Целью нанобионики является конструирование инженерных систем методами нанотехнологий с использованием принципов функционирования живых систем на информационном и молекулярном уров-
не. Ее средства: изучение физических процессов в нанотехнологиях и свойств наноструктур, изучение молекулярных структур и механизмов бионаноструктур («hardware»), изучение информационных процессов в биосистемах — информационных технологий жизни («software»). В настоящее время в разных странах закладывается фундаментальный базис нанобионики, на основе которого могут быть созданы гибридные наносистемы XXI века,
В ЦПИ СПбГПУ (www.spbcas.ru) развиваются исследования в области нанобионики. В частности, установлена способность фуллеренов С60 связываться с двойными спиралями молекулы ДНК [10]. В результате исследований взаимодействия нанокластеров углерода с биомолекулами показано, что применение фуллеренов позволяет получать новые белковые материалы с управляемыми структурными, оптическими и механическими свойствами. Впервые продемонстрирована возможность получения гибридных наносистем, объединяющих углеводы и нанотрубки с биомолекулами.
Совместно с СПбГУ изучаются возможности использования биомолекул в качестве основных блоков полифункциональных наносистем. Одним из первопроходцев в данном направлении является Нэд Симан (Ned Seeman) и под его руководством на основе молекулы ДНК недавно была создана рука робота. Возникает направление по использованию разветвленных структур ДНК, способных менять свою конформацию, в качестве подвижных и неподвижных функциональных узлов наносистем. Универсальность молекулы ДНК позволяет тиражировать это устройство с помощью генной инженерии, что, в свою очередь, делает реальной возможность создания сложных наномашин с множеством манипуляторов, способных выполнять сложные запрограммированные движения.
Эти исследования ведут к созданию разнообразных гибридных наноструктур, объединяющих биологические молекулы, наноуглерод и другие неорганические кластеры. Такого рода рода наноструктуры могут стать элементами встраиваемых интерфейсов, обеспечивающих информационное взаимодействие живых организмов — и даже человека — с внешними техническими устройствами.
Помимо работ по гибридным наноструктурам в ЦПИ СПбГПУ ведется изучение прецизионных квантовых эффектов в атомных системах, имеющих как метрологическое значение — уточнение массы электрона, так фундаментальное значение — проверка Стандартной модели в атомных системах. Разрабатывается вы-
Моделирование образования углерода нанокластеров в сильно неравновесных условиях
сокопроизводительная интеллектуальная киберсистема мирового уровня для обработки данных и визуализации биологических и искусственных нанообъектов. Ведутся исследования особенностей поведения ньютоновских и биологических жидкостей в наноразмерных средах. Открытие динамической природы позиционной информации при развитии многоклеточных организмов стало предметом публикации в одном из самых авторитетных журналов — Nature.
Из нашего опыта: интересным примером того, как исследование фундаментальных процессов приводит к новым возможностям в прикладных применениях являются работы по энергопоглощающим нанопокрытиям. Изучение особенностей электромагнитного отклика ансамбля нанокластеров ферромагнитных металлов, а также процессов образования нанокластеров в сильно неравновесных условиях, возникающих при лазерной абляции и в плазме газового разряда, стало научной основой изобретений и разработки экспериментальных образцов высокоэффективных радиопоглощающих покрытий. Важным организационным последствием этих работ является сложившийся в настоящее время консорциум петербургских исследовательских, проектных и промышленных организаций: ЦПИ СПбГПУ, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, ОАО «НИИ Домен», ЦМИД СПбГЭУ «ЛЭТИ», ФТИ РАН, ПИЯФ РАН, завод «Магнетон», ЦНИИ «Прометей». Этот консорциум реально представляет собой «центр превосходства» по разработке на основе нанотехнологий проблем Stealth и электромагнитной безопасности, способный успешно решать задачи в интересах экономики и безопасности России.
В целом за последние пять лет коллективом Центра перспективных исследований, в котором работают физики, химики, биологи, прикладные математики выполнено более 40 научных проектов, поддержанных грантами российских и международных фондов и организаций, таких как: Роснаука, РФФИ, Национальный институт здоровья США, Рамочная программа Евросоюза, DFG (Германия), CRNS (Франция). Важно отметить, что в ходе исследований накапливаются уникальные материалы о передовых тенденциях и процессах в мировом макротехнологическом пространстве. Значительное внимание мы уделяем подготовке на основе результатов исследований новых курсов. Так, был подготовлен и читается студентам физико-механического факультета СПбГПУ курс «Физика наносистем», в котором дается обощенное представление как об искусственных наносистемах, так и о наносистемах живой природы. На данный момент такие курсы присутствуют в программах только нескольких университетов в мире, лидирующих в сфере нанобиотехнологий.
Возвращаясь к общим проблемам нанотехнологий, следует подчеркнуть, что внедрение нанотехнологий, кроме непосредственных технологических выгод, способно предоставить обществу также преимущества материального и социального характера [12]. Поэтому во всех индустриально развитых странах реализуются масштабные нанотехнологические программы. В нашей стране Правительством РФ в этом году принята федеральная целевая программа «Развитие инфраструкту-
Комплексы фуллеренов и нанотрубок с углеводами как прототипы новых механических и электронных устройств нанобионики ры наноиндустрии в РФ на 2008-2010 гг.». Для реализации Президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» от 24 апреля 2007 г. № Пр-668 Министерством образования и науки РФ сейчас разрабатывается программа «Развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 г.». В этой большой и важной работе участвует и Центр перспективных исследований СПбГПУ, что связано с нашим опытом в аналитико-прогностической деятельности и поисковых междисциплинарных исследованиях на стыке нано, био, инфо наук и технологий.
И последнее, понимая, что решение возникающих интересных и масштабных задач требует объединения усилий, мы с нашими коллегами из СПб государственного университета, других ведущих российских и зарубежных научных центров начали работу по созданию международной исследовательской сети перспективных нанотехнологий.
Литература
1. E. Williams et al. Opportunities at the Intersection of Nanoscience, Biology and Computation. USA, The MITRE Corporation, Report number: JSR-03-300, November 2002.
2. Е. Л. Брандман, С. В. Козырев, А. Г. Фонотов. Современные информационные технологии как глобальная метатехнология мирового технологического пространства//В сб. «Проблемы деятельности ученого и научных коллективов. Международный ежегодник. Вып. XVI. Том II. Материалы XIII сессии Международной школы социологии науки и техники». СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001.
3. С. В. Козырев. Нанотехнологии в современном мире: от электроники к нанобионике//Сборник трудов IV международной научной конференции «История науки и техники», 6-8 декабря 2004 г. СПб., 2005.
4. R. P. Feynman.There’s Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New World of Physics. A transcript of his talk is available online and a published version appears in Caltech’s Engineering and Science February 1960 issue: 1959. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
5. K. Eric Drexler. Engines of Creation.The Coming Era of Nanotechnology. New York: Anchor Books, 1986.
6. Ж. И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур. Физика и техника полупроводников. Т. 32. 1998.
7. Ж. И. Алферов. Двойные гетероструктуры: концепция и применение в физике, электронике и технологии. Нобелевская лекция, Стокгольм, 8 декабря 2002, Успехи физических наук, Т. 172, № 9. 2002.
8. Book of Abstracts of 8th Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters IWFAC’2007. St Petersburg, Russia. July 2-6, 2007.
9. Итоги работы за 1999 год. Ученые записки № 1-2000 Института высокопроизводительных вычислений и баз данных Министерства науки и технологий РФ. СПб, 2000.
10. П. П. Якуцени, С. В. Козырев. Биомолекулярные мишени для фуллерена С60//5-я международная, конференция. «Фулле-рены и атомные кластеры». СПб., 2001.
11. A. Y. Lushnikov, A. A. Bogdanov, Y. L. Lyubchenko. DNA recombination: Holliday junctions dynamics and branch migration. J. Biol. Chem., 2003.
12. Nanoscience and Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties. The Royal Society, London, 2004.
Available at http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm
ИННОВАЦИИ № 11 (109), 2007
