Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

• Название: Нанотехнологии. Правда и вымысел
• Автор: Виктор Балабанов
• Жанр: Прочая научная литература

Авторы книги знакомят читателей с относительно новым научно-практическим направлением знаний – нанонаукой – и уделяют большое внимание популяризаци и достижений нанотехнологий. В книге рассматриваются по большей части не какие-то фантастические проекты, а разработки, уже реально применяемые или находящиеся на этапе исследований. При чтении книги каждый сможет получить для себя некоторые неожиданные знания о взаимодействии наночастиц, имеющих размеры атомов и молекул, и сделать неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

В книге разрушаются многочисленные мифы и стереотипы, связанные с нанотехнологиями.

---

Это явление впервые было обнаружено у медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. Полученные результаты исследований могут быть применены в нанотехнологических разработках по созданию нового типа мониторов, телевизоров различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.

На соискание Нобелевской премии по физике 2008 года выдвигался японский исследователь углеродных нанотрубок С. Ииджима, но Нобелевский комитет пока в полной мере не оценил важность его научных достижений. Возможно, награда еще ждет своего героя, как и других исследователей в области нанотехнологий и наноматериалов.

Нобелевская премия по физике 2009 года разделена на две части. Половину премии получил китаец Чарльз Као (Charles Kao), сотрудник британской исследовательской лаборатории города Харлоу (Standard Telecommunication Laboratories) и одновременно проректор университета Гонконга, «За выдающиеся достижения, касающиеся распространения света в волокнах оптических линий связи». Вторую половину разделили сотрудники американской лаборатории Белла (AT&T Bell Labs) Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) «За изобретение светочувствительных полупроводниковых схем – ПЗС-матриц», которые в настоящее время уже широко применяются в большинстве цифровых видеокамер, сканеров, любительских фотоаппаратах и подобных приборах.

Именно У. Бойл и Д. Смит в 1969 году впервые изобрели ПЗС-матрицу (аббревиатура от словосочетания «прибор с зарядовой связью»), или CCD-матрицу (от англ. charge-coupled device, CCD),  – специализированную аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных кремниевых фотодиодов.

Ученые занимались разработкой технологий видеотелефонии (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Японская корпорация Sony одной из первых смогла наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

В настоящее время ПЗС-матрицы выпускают и широко применяют в своей продукции многие известные мировые компании: Canon, Kodak, Matsushita, Nikon, Sony, Fuji, Philips и др.

На основании этого следует заметить, что в ближайшие годы все Нобелевские премии по физике, а также частично по химии и биологии будут присуждаться за исследования и прикладные разработки, так или иначе связанные с нанотехнологическим направлением в науке и технике. Более того, еще раз необходимо подчеркнуть, что предпочтение будет отдаваться исследованиям, которые не просто находятся на стадии лабораторного образца, но уже нашли практическое применение и успешно продаются и применяются в повседневной практике.

Индустриализация нанотехнологий

Рыночная стоимость практических разработок в области «нано» в ближайшем будущем будет составлять триллионы долларов в мировом масштабе.

Дэвид Берубе, профессор Университета Южной Каролины (2008 год)

Развитые страны мира при поддержке правительств и глав государств очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий, оценив перспективы, которые это может принести в будущем.

Первыми в гонку нанотехнологий включились США, которые в 1991 году начали разработку первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Практически одновременно по поручению правительства аналогичную программу начали разрабатывать в Японии. Была намечена серия проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

Э. Дрекслер в своей известной книге «Наносистемы» (“Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation’"), вышедшей в свет в 1992 году, на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий по существу в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц: нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т. д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным остается создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы Nanotechnology и Nanobiology , в которых публикуется множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам и их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создаются лаборатории и отделы наноструктур, возглавляемые известными учеными.

На пятой Форсайтовской конференции Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологии» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством – в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологии – квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также проекты, направленные на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них – Atom Craft Project и Aono Project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нанотехнологий – «Национальная нанотехнологическая инициатива» (National Nanotechnology Initiative, NNI)  – в целях поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

Как считают авторы французской книги «Nanosciences: La revolution invisible » [1] профессор Кристиан Жоаким (^ris^n Joachim) и журналистка Лоранс Плевер (Laurence Plevert), именно с NNI закончилось время фундаментально-научного, ресурсосберегающего и экологического аспектов нанотехнологий, началась эра их перевода на практические рельсы и создания наноиндустрии.

Следует отметить, что К. Жоаким является руководителем лаборатории по исследованиям Центра структурных исследований и разработки новых материалов (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) в Тулузе (Франция). Он известнейший специалист в области физики твердого тела и руководитель национальной группы Nanosciences.

В связи с прикладными задачами нанотехнологий надобность в романтике-гуру Эрике Дрекслере отпала. На должность руководителя программы NNI (председателя подкомитета по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологии Национального научного фонда США – National Science Foundation, NSF ) был назначен профессор-прагматик Майкл Рокка (Michael Rocca), обладающий значительными коммерческими связями в промышленных кругах Америки.

В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций – участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нанотехнологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долларов) на 42 млн долларов. С 2001 года США инвестировали в данный проект более 8 млрд долларов, что составляет около 25 % всех мировых затрат на нанотехнологии.