Вряд ли встретишь сегодня человека, который не слышал бы о нанотехнологиях. Только далеко не каждый может толково объяснить, что это такое, зачем нужны и где могут применяться. Лишь выпускники математических школ, да и то не все, помнят, что нанометр — это одна миллиардная метра. Пожалуй, наиболее точным синонимом модного термина «нанотехнология» может служить понятное всем слово «миниатюризация».
В 1959 году американский физик Ричард Фейнман аргументировано доказал, что законы квантовой механики не препятствуют созданию нужных людям структур из небольшого числа атомов. Свою знаменитую лекцию Фейнман назвал «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики».
ВЗЛОМЩИК СЕЙФОВ ВЗЛОМАЛ УСТОИ
Для Фейнмана подобная образность в заголовках к научным трудам была настоящей «фишкой». Всемирно известный физик родился в Нью-Йорке в семье эмигрантов из Российской империи. Отец с ранних лет ненавязчиво подогревал интерес сына к наукам. Своего первенца он видел ученым. На сестер Ричарда глава семейства надежд не возлагал. В начале ХХ века в научное будущее даже талантливых девочек верилось с трудом. Хотя Джоан Фейнман, младшая сестра Ричарда, успешно опровергла эти суждения, став известным астрофизиком. Чувство юмора нанотеоретик унаследовал от матери.
После четырехлетнего обучения в самом известном техническом вузе Америки — Массачусетском технологическом институте Ричард поступил в аспирантуру Принстонского университета. От работы над диссертацией молодого ученого оторвала Вторая мировая война. Фейнман рвался на фронт, но не согласился с мнением призывной комиссии. Талантливого физика и математика направили в строевую часть, а сам он считал, что может принести больше пользы, работая по специальности.
Вскоре Ричард доказал свою правоту, приняв участие в разработке механических счетных машин для расчета траекторий артиллерийских снарядов. Его пригласили в сегодня знаменитый, а тогда секретный Манхэттенский проект. В Лос-Аламосе Фейнман работал над созданием атомной бомбы. Он не горел желанием принимать участие в создании смертоносного оружия, но решил для себя: будет гораздо хуже, если первыми успеха в решении этой проблемы добьются немцы.
В Лос-Аламосе Фейнман приобрел неплохие навыки взломщика сейфов. В медвежатники подался, чтобы доказать неэффективность мер безопасности при работе над секретным проектом. С легкостью Ричард выкрадывал секретную информацию из сейфов своих коллег. В автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» он утверждал, что освоил дефицитную в преступном мире специальность из любопытства.
Второй том воспоминаний Фейнмана называется «Какое тебе дело до того, что думают другие?». Хотя самым известным творением американского ученого стали «Фейнмановские лекции по физике». Этот учебник для вузов считается лучшим не только в Америке, но и в других странах, где изучают общую физику. Стоит ли удивляться образному названию лекции, в которой впервые были сформулированы постулаты, давшие толчок развитию нанотехнологий.
ЧЕТВЕРТЬ ВЕКА ДЛЯ ВОПЛОЩЕНИЯ ИДЕИ
В конце 50-х, когда Фейнман пригласил в «новый мир физики», практически единственным инструментом, позволявшим хоть что-то рассмотреть в наномасштабе, был электронный микроскоп. Идеи американского ученого казались фантастикой. Более того, в СССР отыскали рассказ известного писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованный в 1931 году. Критики Фейнмана подчеркивали, что высказанные в его лекции идеи создания и применения наноманипуляторов практически полностью совпадают с творческими изысканиями советского писателя. Действительно, описание манипулятора в изложении Фейнмана походило скорее на литературное произведение.
Американский ученый описал систему с электрическим управлением, в которой используются «обслуживающие роботы в виде уменьшенных в четыре раза копий рук оператора». По утверждению отца нанотехнологий, такие микромеханизмы легко смогут выполнять операции в уменьшенном масштабе: закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить маленькие отверстия. Фейнман еще в конце 50-х утверждал, что сфера применения микророботов и микромашин может быть достаточно широкой, от хирургических операций до транспортировки радиоактивных материалов. В своей знаменитой лекции он предсказал, что по мере уменьшения размеров придется постоянно сталкиваться с новыми физическими явлениями. В СССР далеко не все были знакомы с «приглашением в новый мир физики», но застолбить приоритет за советским писателем поспешили.
С тем же успехом в отцы нанотехнологии можно было записать классика русской литературы Николая Лескова, а в первые нанотехнологи — героя его рассказа Левшу. Процитируем фрагмент рассказа Лескова: «Если бы был мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 миллионов раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Стало быть, не какие-то там выпускники МТИ и Принстона, а наш Левша — основоположник новой науки.
Из области фантастики в реальность идеи Фейнмана перешли через полвека, когда японский физик Норио Танигучи ввел в обиход термин «нанотехника». Через три года нобелевский лауреат Илья Пригожин (бельгийский виконт с российскими, естественно, корнями) констатировал: «Мы знаем, где дверь в комнату, на полу которой, по словам Фейнмана, полно игрушек». Новая эпоха в развитии нанотехнологий началась в 1981 году, когда немецкие физики Герд Биннинг и Генрих Рорер создали зондовый туннельный микроскоп. Этот прибор позволял не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы.
НОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ НАУЧНОГО ПРОРЫВА
Спустя пять лет был изобретен атомно-силовой микроскоп. Только научные приборы не сразу становятся инструментами технологов. Лишь в 1989 году туннельный микроскоп впервые удалось использовать в качестве наноманипулятора. Сотрудники компании IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер выложили название своей фирмы (реклама прежде всего!) атомами ксенона на поверхности кристалла никеля. Операция заняла 22 часа и проходила при температуре вблизи абсолютного нуля, -273 градуса по Цельсию. После нагрева кристалла до каких-то -230 буквы IBM испарились.
Всего четверть века назад подобные операции были научной и технологической сенсацией. Сегодня сканирующие зондовые микроскопы даже основным инструментом работы нанотехнолога не являются. Они скромно занимают метрологическую нишу, позволяющую контролировать и лишь иногда подправлять результаты, полученные с помощью настоящих наноинструментов.
С самого начала огромный интерес к миниатюризации проявили компьютерные гиганты. Ведь миниатюризация основных рабочих элементов (для компьютеров это транзисторы) и повышение быстродействия жестко взаимосвязаны. Любая микросхема содержит не только транзисторы и резисторы, но и множество полезных и вредных электрических емкостей. Эдаких маленьких конденсаторов, которые приходится периодически заряжать и разряжать, расходуя не только энергию, но и время. Чем меньше геометрические размеры активных элементов, тем меньше оказываются бесполезные емкости и тем быстрее можно перевести микросхему из одного логического состояния в другое. Соответственно, быстрее происходит сложение чисел и выполнение других математических действий.
Пока в СССР гордились тем, что наши компьютеры самые большие в мире, на Западе их размеры с каждым годом уменьшались. Одновременно повышалось быстродействие. Именно уменьшение размеров элементной базы обеспечило поразительный рост быстродействия и снижение стоимости электронных вычислительных машин, что привело к их повсеместному проникновению в нашу жизнь.Как это ни парадоксально, но основным инструментом современной микроэлектроники является свет. На кремниевую пластинку наносится 65-нанометровый рисунок внутренней структуры процессора или кристалла флеш-памяти. Этот способ отдаленно напоминает старую добрую фотопечать.
Вообще, ошибочно полагать, что нанотехнологии родились в конце ХХ века, а до этого времени люди вообще не умели делать ничего размером меньше десятых долей миллиметра. Хорошо наточенный нож или бритва имеют режущую кромку толщиной порядка микрона. Наночастицы сажи уже более века добавляют в резину при изготовлении автомобильных покрышек. Приблизительно столько же ученые используют в приборах нити Волластона из платины или золота диаметром меньше тысячной доли миллиметра.
К образцам древнейших нанотехнологий относится изготовление сусального золота, которым покрывали купола церквей. Да и сегодня используют в иконописи и при изготовлении художественных изделий. После многократной ковки из двух-трех граммов золота получается почти квадратный метр покрытия толщиной менее микрона. Несмотря на открытие электролиза, этот метод и сегодня является самым экономичным по расходованию золота для промышленных целей.
Наноуровневые процессы лежат в основе виноделия, хлебопечения и сыроварения. С частицами веществ размером меньше микрона уже давно работают фотографы и художники. При записи голограммы возникают структуры, которые имеют размер меньше тысячной миллиметра. Привычные уже голографические значки на этикетках и акцизных марках — продукт, по сути дела, нанотехнологический. Просто бурное развитие они получили на рубеже ХХ и XXI веков.
Первыми осознали все выгоды американцы. В 1993 году в США была организована первая нанотехнологическая лаборатория, а в 2000-м принята «Национальная нанотехнологическая инициатива». По примеру Фейнмана вашингтонские функционеры решили блеснуть оригинальным названием. При этом инициативу активно поддержали и государственные структуры, и частный бизнес.
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НОВЫХ СВЕРШЕНИЙ
Наиболее широко нанотехнологии применяются в микроэлектронике. Хотя в последние годы самыми массовыми нанопродуктами стали различные сплавы, покрытия и композитные материалы, приобретающие особые свойства благодаря микроструктуре. При этом в одном материале порой удается совместить, казалось, несовместимые механические свойства: одновременно увеличить твердость и пластичность.
Давно известен твердый сплав под названием победит. Для его создания в хромовую матрицу вводится крайне твердый материал — карбид вольфрама. Полвека назад сплав изготовляли, используя частички карбида размером с десятки микрон. Сегодня используют порошки, размер частиц которых существенно меньше микрона. Благодаря этому победит становится не только тверже, но и более гладко режет сталь.
Механические свойства — лишь часть достоинств новых нанотехнологичных сплавов. Одним из знаковых успехов последних лет стала разработка прочных и легких биологически совместимых материалов. Для создания бактерицидных красок и перевязочных материалов все чаще применяются нанодисперсные материалы, позволяющие бороться с вредоносными флорой и фауной.
Нанопорошки активно используются при изготовлении всех видов магнитных носителей информации, от полосок с данными на кредитной карте до жестких компьютерных дисков. При этом у последних слой магнитного материала для снижения износа покрываются пленкой толщиной в несколько нанометров и тончайшим нанометровым слоем специальной смазки. В каждой квартире и в каждом кошельке сегодня можно видеть последние нанотехнологические достижения.
Специальные смеси нанопорошков «лечат» двигатели внутреннего сгорания и трущиеся узлы, подходят для хранения водорода и сбора нефти с поверхности воды. «Адресная» доставка лекарств в раковую опухоль также происходит на наноуровне. Используя наноструктурированные полимеры и углеродные нанотрубки, сегодня пытаются сделать искусственные мышцы. Именно с нанотрубками, открытыми еще в 1991 году, связывают развитие нанотехнологий и даже нанореволюцию, которую сравнивают с проанализированными классиками марксизма научно-техническими революциями.
Про уникальные свойства углеродных нанотрубок написаны сотни научных трудов. Ученые полагают, что они найдут массовое применение в производстве микросхем памяти, в авиации и автомобилестроении. Особый интерес к углеродным волокнам проявляют сегодня космические агентства, надеющиеся с их помощью сделать более компактными и мобильными будущие автоматические спутники и орбитальные станции. В смелых мечтах даже создание специального лифта, который должен открыть дорогу в космос всем желающим.
Создание материала, на порядок более легкого и прочного, чем сталь, давняя мечта инженеров. Сегодня она уже близка к своему воплощению. Углеродные нанотрубки имеют не только уникальные механические свойства, но и необычные электрические. Они наверняка найдут применение в автомобильной, авиационной и космической промышленности. Ну а пока испытываются пуленепробиваемые жилеты толщиной в 20 микрон. Правда, пока непонятно, будет ли найден контраргумент в виде нанопули.
ВО ВСЕМ ВИНОВАТ ЧУБАЙС!
Эту крылатую фразу ошибочно приписывают первому президенту России Борису Ельцину. На самом деле прозвучала она в популярной некогда телепередаче «Куклы», где ее действительно произнес соответствующий персонаж. В России развитие нанотехнологий, а точнее, все провалы в этой отрасли ассоциируют с именем Анатолия Чубайса, возглавляющего компанию «Роснано».
Развитие нанотехнологий в мире совпало с не лучшим для российской науки временем. Во многих научно-исследовательских институтах считали за счастье работать даже на самых больших в мире советских компьютерах. Лишь в начале 2000-х была принята федеральная целевая программа развития науки, одной из частей которой была «индустрия наносистем и материалов». В «жирные нулевые», когда цена нефти превышала сто долларов за баррель, и на разработку новых технологий находились деньги.
Предполагалось, что с 2007 по 2012 год объем финансирования приоритетных направлений составит почти 200 миллиардов рублей. На наносистемы и материалы отводилась треть суммы, что вполне сопоставимо с американским миллиардом долларов, выделяемым ежегодно в бюджете США на развитие нанотехнологий. В апреле 2007 года президент России Владимир Путин назвал нанотехнологии приоритетным направлением развития науки и техники. Он даже сравнил их с развитием атомной энергии в 30-е годы.
Коль президент поставил задачу, то она должна быть выполнена. Осенью 2008 года даже было создано «Нанотехнологическое общество России», в задачу которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны». И не нужно думать, что это была инициатива отдельных общественников.
В начале своего президентского срока Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию: мировая экономика начинает расти, экспортный потенциал возрастает — и никакие нанотехнологии не нужны, если можно и дальше продавать энергоносители». При этом еще в октябре 2009 года глава России заметил, что пока поддержка нанотехнологий носит безалаберный характер, и пообещал выделить «Роснано» на период до 2015 года 318 миллиардов рублей.
Был выпущен целый ряд распоряжений и постановлений, и уже в ноябре 2011 года глава «Роснано» Анатолий Чубайс представил тогдашнему премьер-министру Владимиру Путину самую эффективную разработку возглавляемой им компании — электронный учебник для российских школ. Его сразу же окрестили «планшетом Чубайса». В «Роснано» инвестировали 150 миллионов долларов для строительства в Зеленограде завода по производству гибких дисплеев и оснащению школ «планшетами Чубайса».
В свое время Зеленоград задумывался как советский аналог знаменитой Силиконовой долины в Калифорнии, где производились самые современные компьютеры. Догнать и перегнать Америку в этом направлении не удалось. Не удалось это сделать и с помощью «Роснано». Уже в мае 2012 года было объявлено об отказе от выпуска «планшетов Чубайса» и переносе на неопределенный срок строительства нового завода.
Зато в середине этого же года Чубайс объявил, что ряд компаний, созданных при участии «Роснано», успешно экспортируют свою продукцию в США. По оценкам главы компании, выручка от реализации нанотехнологической продукции составила 11 миллиардов рублей. Правда, американцы как-то не демонстрировали образцы приобретенной у фирмы Чубайса продукции и оснащать его планшетами свои школы не собирались.
В апреле 2013 года грянул настоящий гром. Результатом проверки, проведенной Счетной палатой, были выявлены многочисленные нарушения в деятельности «Роснано». Громадные средства были израсходованы на покупку и ремонт зданий, транспорт и охрану. Расходы на оплату труда в расчете на одного человека за пять лет выросли с 65 тысяч рублей в год до 593 тысяч. Это в среднем, а оклады топ-менеджеров вообще были отнюдь не на наноуровне.
Весной 2016-го Счетная палата вообще признала половину инвестпроектов «Роснано» неэффективными. Деятельность госкомпании по результатам проверок аудиторов принесла убыток в 13,1 миллиарда рублей. Даже если проекты компании в ближайшие три года принесут предполагаемые прибыли, это компенсирует лишь половину расходов на ее деятельность из госбюджета.
…В общем, пока нанотехнологии в России представляются фантастическим явлением и служат объектом для шуток. Пожалуй, лучшая удалась участнику шоу «Уральские пельмени» Вячеславу Мясникову. Его песенку стоит процитировать:
Мы с друзьями из Сколкова двинулись в нанопоход
Встретить в лесу голограммный нановосход.
Из частиц водорода раздули мы нанокостер,
Потому что забыли молекулярный нанотопор.
А потом к нановодке мы добрались,
До наносоплей нановодкой мы нажрались!
А утром с коллегами пили мы просто рассол.
Ведь нанорассола никто еще не изобрел.
Возможно, идеи Фейнмана будут воплощены в жизнь и в России, но пока о нанотехнологиях все слышали — и мало кто представляет, о чем идет речь. Возможно, для того, чтобы все поняли, нужно изобрести нановодку.
«Секретные материалы 20 века» №3(467), 2017. Анатолий МирошникжурналистСанкт-Петербург