[an error occurred while processing this directive]

 
Обзор подготовлен При поддержке
CNewsAnalytics Fujitsu Siemens Computers

Нанотехнологии

Нанотехнологии, наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями, возможно, станут фундаментом научно-технической революции в XXI веке. Революцией, сравнимой и даже превосходящей по своим масштабам преобразования в технике и обществе, вызванные крупнейшими научными открытиями XX века.

Немного терминов

Нанотехнология — совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнологии обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Наноматериалы — материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистемная техника — полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

  • элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
  • устройства сверхплотной записи информации;
  • телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;
  • видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
  • молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
  • нанолитография и наноимпринтинг;
  • топливные элементы и устройства хранения энергии;
  • устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
  • нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;
  • авиационные, космические и оборонные приложения;
  • устройства контроля состояния окружающей среды;
  • целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
  • биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;
  • регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Перспективы использования нанотехнологий в ИТ

Компьютерная техника и электроника, вероятно, одними из первых получат реальную возможность использования нанотехнологий на практике. Уже в недалеком будущем произойдет многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации. Отдельные вычислительные компьютерные и сетевые «островки» трансформируются в глобальную информационную сеть огромной производительности. Симбиоз био-, нано- и компьютерных технологий может сделать реальностью для каждого человека непосредственный доступ головного мозга и органов чувств к мировым вычислительным ресурсам.

Прогноз развития нанотехнологий

Прогноз развития нанотехнологий

Источник: Nanotechnology News Network, 2004 г.

На основании имеющихся прогнозов можно сделать вывод, что нанотехнологии произведут фурор как в современном производстве и связанных с ним технологиях, так и в человеческой жизни в целом. По мнению экспертов, нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Но это всё далекие и не очень далекие планы. А что же сейчас происходит в этой области науки и какое влияние она оказывает на сегодняшний день?

Финансирование наноисследований и наноразработок в мире

По данным, опубликованным в экспресс-бюллетене «ПерсТ» («Перспективные технологии: сверхпроводники, фуллерены, наноструктуры»), объемы финансирования наноисследований и разработок в мире за 2004 г. увеличились почти на 18% и оцениваются в $8,8 млрд., для сравнения, в 2003 г. — $7,5 млрд. Ожидается, что к 2015 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит $1 трлн. Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. — 88546, из которых 64% — патенты США.

Финансирование наноразработок в мире в 2004 году

Страна

Источник финансирования

Объем финансирования в 2004 г. ($ млрд.)

США

Федеральный бюджет

1,6

Частный бизнес

1,7

Европейский Союз

Правительственное финансирование

1,3

Частный бизнес

0,7

Страны Азии

Правительственное финансирование

1,6

Частный бизнес

1,4

Россия

Все правительственные каналы (Минпромэнерго, Минобрнауки, РАН, РФФИ и другие)

Несколько
десятков млн. долл.

Источник: экспресс-бюллетене «ПерсТ»

Необходимо отметить быстрый рост вложений в нанотехнологии в период 1997–2004 гг., обусловленный осознанием фактического прогресса этой области исследований и разработок. Россия — явный аутсайдер в списке разработчиков в области нанотехнологий.

Динамика бюджетных инвестиций в наноразработки за период с 1997 по 2004 годы ($ млрд.)

Динамика бюджетных инвестиций в наноразработки за период с 1997 по 2004 годы ($ млрд.)

Источник: экспресс-бюллетене «ПерсТ»

Прогнозы роста рынка нанотехнологий

Исследователи предполагают, что объем рынка нанотехнологий будет расти каждый год на 40% в течение 10–15 лет. Предполагается, что рынок нанобиотехнологий составит $125 млрд. к 2008 году, а рынок информационных технологий вырастет до $1,5 трлн. к 2006 году.

Top10 нанопродуктов 2004 года

Компания NanoBillboard.com опубликовала список 10 лучших на сегодня продуктов, созданных с помощью нанотехнологий. Критериями отбора продуктов были следующие: популярность на рынке; использование нанотехнологий; применение продукта в повседневной жизни.

1) Органические светоизлучающие диодные дисплеи (Organic Light Emitting Diode OLED Displays) — это ультратонкие дисплеи. Они тоньше и легче современных LCD-дисплеев, поэтому практически идеально подходят к применению в мобильных телефонах, карманных компьютерах, цифровых камерах и фотоаппаратах. Эти дисплеи собраны из нескольких слоев нанопленок, содержащих матрицы электродов, и расположенного между ними светоизлучающего органического полимера. Изображения на дисплее можно рассматривать под разными углами без потери качества.

2) Наноэмульсии и антибактериальные нанопокрытия.

3) Нанокапсулы — это «контейнеры для лекарств», которые созданы искусственно и имеют размеры от 100 до 600 нанометров.

4) Наножидкостные системы, имеющие каналы диаметром в несколько десятков и сотен нанометров, смогут работать в составе лабораторий-на-чипе, которые проводят экспресс-анализы ДНК, белков, и других биомолекул.

Биочипы представляют из себя матрицу — крохотную пластинку со стороной 5–10 миллиметров, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов, — ее еще называют «платформой». Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе. Это необычное устройство позволяет за короткое время определять несколько тысяч различных биологически активных веществ и даже генетических дефектов. Технология белковых биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов. В зависимости от вида используемых макромолекул, выделяют различные виды биочипов, т.е. предназначенные для разных целей. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94%), т.е. матрицы, несущие молекулы ДНК, 6% — белковые чипы.

5) Наноэлектронные устройства с тактовой частотой 1ГГц. В 2004 году был сделан ряд важных исследований, по результатам которых стало возможным создание рабочих наномеханических и наноэлектронных систем с тактовой частотой около 1 ГГц. Это разнообразные осцилляторы; модули механопамяти нанометровых размеров; датчики на основе нанотрубок и т.п. В основном эти устройства изготовлены на кремниевых подложках методами электронно-лучевой литографии.

6) Нанокатализаторы для автотранспорта. Различные нанокатализаторы уже применяются при обработке сырой нефти.

7) Устройства на основе нанотрубок. Нанотрубки уже зарекомендовали себя как универсальный стройматериал наноэлектроники. С их применением получаются и осцилляторы, и диоды, и транзисторы, и наножидкостные устройства. Нанотрубками сегодня даже убивают бактерий. Со временем, когда технология их производства и применения будет отточена, они займут 1-е место по продажам на рынке нанотехнологий. Примеры их современных применений велики — от дисплеев на нанотрубках, до велосипедов, в которых нанотрубки обеспечивают жесткость материала.

8) Нанокристаллы. Их получают методами испарения и конденсации металлов. Полученные нанокристаллы размерами в несколько нанометров в диаметре обладают уникальными характеристиками.

9) Наноэлектромеханические системы (НЭМС). В отличие от микроэлектромеханических систем, которые появились в 1980-х, НЭМС находятся на ранних стадиях развития. Но наноэлектромеханические системы развиваются столь быстро благодаря новым научным открытиям и появлению их технических применений. Механические устройства уменьшаются в размерах, при этом снижается их масса; увеличивается резонансная частота и уменьшаются их константы взаимодействия. Используя НЭМС-технологию, можно ожидать появления высокофункциональных сенсоров и сверхъемких устройств для хранения информации.

10) Бытовые продукты, улучшенные с помощью нанотехнологий.

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100 тыс. электронов для того, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

Благодаря нанотехнологиям существенно изменится конструирование машин и механизмов — многие части упростятся вследствие новых технологий сборки, многие станут ненужными. Это позволит конструировать машины и механизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки и конструирования.

С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Утилизация отходов и глобальный контроль за системами типа «recycling» позволит существенно увеличить сырьевые запасы человечества. Станут возможными глобальный экологический контроль, погодный контроль благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно.

Что касается сырьевой проблемы, то для постройки большинства объектов нанороботы будут использовать несколько самых распространенных типов атомов: углерод, водород, кремний, азот, кислород, сера, и др. в меньшем количестве. С освоением человечеством других планет проблема сырьевого снабжения будет решена.

Нанотехнологии — в жизнь

Нанотрубки, квантовые точки, кремниево-органические чипы становятся основой новых продуктов, многие из которых готовятся к выходу на рынок.

В июне 2004 г. компании Agilent Technologies, Discera и Intel объявили о разработке производственных модулей, которые позволят выпускать чипы, названные one-chip integration. В таком «сложном» чипе уже будут находиться антенны, фильтры и логика, управляющая всеми этими устройствами. В первую очередь, новые чипы появятся в мобильных телефонах и других средствах беспроводной коммуникации.

Компания Sharp, используя нанотехнологические подходы в создании новых интегрированных микросхем (кремниево-органических), изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 мкм. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новинки уже в 2004 году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Также возможна интеграция этих батарей с новыми FOLED-дисплеями. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего 1 г и обладает мощностью 2,6 Вт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Компания Nantero, специализирующаяся на изготовлении молекулярной памяти на основе нанотехнологий, и компания LSI Logic — производитель специализированных микрочипов, в июне начали переоборудовать одну из производственных линий под производство новых чипов памяти по технологии Nantero. На ней будет выпускаться NRAM — нанопамять с высокой плотностью данных.

Компания IBM активно использует нанотехнологические методы производства электронных компонентов. Недавно компания объявила об использовании нанотехнологий для совершенствования традиционных процессов производства полупроводников, открывающих новые возможности миниатюризации устройств и повышения производительности кристаллов. IBM применила технологию «молекулярной самосборки» (molecular self assembly), совместимую с существующими технологиями изготовления микросхем, что особенно выгодно для создания нового поколения микроэлектроники, поскольку не потребуются значительные расходы, связанные с переходом на новое оборудование, и производители будут защищены от рисков, неизбежных при крупных изменениях технологических процессов.

Разработанная IBM технология «самосборки» основана на свойстве самоорганизации некоторых молекул полимеров. «Самосборка» — это сектор нанотехнологии, изучающий свойства некоторых отдельных элементов самоорганизовываться в повторяющиеся узоры, размеры которых измеряются в нанометрах. Технология «самосборки» поможет расширить возможности литографических методов производства, что особенно важно с учетом постепенного уменьшения компонентов компьютерного оборудования до молекулярного уровня. В результате использование «самосборки» позволит создавать более мощные электронные устройства, например, микропроцессоры, использующиеся в разнообразных компьютерах, коммуникационном оборудовании и потребительской электронике. IBM ожидает, что технологию «самосборки» можно будет использовать в пилотных проектах через 3–5 лет.

Другой разработкой стали системы хранения информации на основе наномеханических осцилляторов. Были изготовлены механические ячейки памяти из кремния, которые в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Использование этих наноустройств в качестве элементов хранения информации позволит получить механическую память, которая будет выгоднее по плотности информации, чем современные электромагнитные системы. По мнению разработчиков, механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств. Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду, а механические ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги. Память на механотранзисторах может превысить плотность хранения информации около 100 гигабит на квадратный дюйм.

Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России

Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.

Первая проблема — формирование круга перспективных потребителей. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства.

Вторая проблема — повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования.

Третья проблема — разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве.

Четвертая проблема — обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики.

Пятая проблема — широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.

Шестая проблема — создание исследовательской инфраструктуры, включая:

  • организацию центров коллективного пользования уникальным технологическим и диагностическим оборудованием;
  • современное приборное оснащение научных и производственных организаций инструментами и приборами для проведения работ в области нанотехнологий;
  • обеспечение доступа научно-технического персонала к синхротронным и нейтронным источникам (как российским, так и зарубежным), к сверхпроизводительным вычислительным комплексам;
  • разработку специальной метрологии и государственных стандартов в области нанотехнологий;
  • развитие физических и аппаратурно-методических основ адекватной диагностики наноматериалов на базе электронной микроскопии высокого разрешения, сканирующей электронной и туннельной микроскопии, поверхностно-чувствительных рентгеновских методик с использованием синхротронного излучения, электронной микроскопии для химического анализа, электронной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии.

Седьмая проблема — создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях — от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции.

Восьмая проблема — привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.

Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика. Она должна стать частью государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов.

Ольга Кузнецова/ CNews Analytics
При подготовке статьи были использованы материалы с сайта http://www.nanonewsnet.ru/

Вернуться на главную страницу обзора

Версия для печати

Опубликовано в 2004 г.

Техноблог | Форумы | ТВ | Архив
Toolbar | КПК-версия | Подписка на новости  | RSS