Размеры и расстояния. Разберемся, для начала, в смысле и содержании приставки «нано». Чтобы понять и оценить мизерность величины нанометр, рассмотрим шкалу расстояний (фиг.1).

На этом небольшом рисунке показаны все большие и малые размеры и расстояния. В середине шкалы: 1 или 10⁰ (десять в нулевой степени) - это единица измерения длины (1 метр) в принятой теперь и обязательной повсюду международной системе единиц «СИ». Рядом по шкале рост человека (1.7м). Следующая степень десятки: 10¹ = 10м (декаметр). Ещё один порядок, то есть увеличение степени на единицу: 10²=100м (гектометр). Движемся по шкале вверх, величины быстро растут с увеличением порядка. 10⁷ м – почти диаметр Земли (13 тыс. км). 10⁹м (гигаметр) – почти диаметр Солнца (1,4 млн. км). И так далее до “горизонта Хаббла” (10³⁶ м), за которым неизвестность. Увидеть землянам что-либо, находящееся там, невозможно, некоторые ученые уверены, что дальше совсем ничего нет, другие считают концом Вселенной расстояние 10⁴⁷ м.

Фиг.1. Шкала расстояний

Движемся по шкале вниз в том же логарифмическом масштабе. Дециметр (10^-1м), сантиметр (10^-2м), миллиметр (10^-3м) всем хорошо знакомы. 10^-6метра, то есть, тысячная часть миллиметра, её называют микрометром (мкм) или в просторечии микроном. Это очень маленькая величина, диаметр волоса существенно больше - около 100 мкм. Бактерии и живые клетки обычно имеют размер 10 и более микрон, и только самые малые из них такие, как, например, безъядерные красные кровяные тельца эритроциты, не превышают одного микрона. Величина 10^-9м это и есть нанометр (нм) – герой нашего рассказа.

Нанометр во столько же раз меньше метра, во сколько человек меньше Солнца.

Принципиально невозможно увидеть частицы размером нанометр в оптический и даже в электронный микроскоп. Вирусы - и те в 20 ... 300 раз больше. Ниже по шкале идут уже совсем невообразимо мелкие вещи. 10^-10 м (внесистемная единица -1 ангстрем) – диаметр атома водорода. В нанометре «уложится» всего лишь 10 этих самых мелких атомов и то, если они в спокойном, а не в возбужденном состоянии.
10^-13 ...10^-14м – размер ядра атома. Электрон ещё меньше, диаметр его считается равным 2,8х10^-15м. Кварки и прочую мелочь трудно оценить по размеру. То ли они реальные, то ли - виртуальные, то ли частицы, то ли волны, то ли их можно измерить, то ли нельзя. Поэтому далеко вниз продолжать шкалу не имеет смысла.

Отец-основатель. От размеров переходим к самой нанотехнике или нанотехнологии. Так называют различные манипуляции с веществом на уровнях, близких к размерам атомов и молекул. Началом нанотехники считается фраза: «Там внизу ещё очень много места», которую произнес в 1959 году великий физик Ричард Фейнман. Места, действительно, много, но человечеству манипулировать там очень трудно.

Микроэлектроника. Наибольший прогресс миниатюризации приборов и устройств достигнут в интегральной электронике. Сегодня изготавливают в серийном и массовом производстве прекрасно работающие интегральные микросхемы с элементами, имеющими габариты около одного микрона. Это дало качественный скачок в создании миниатюрных приборов. Наиболее важное достижение – миниатюризация компьютеров, которые от размера с этаж здания уменьшились до настольного прибора и превратились в «персоналку» (РС). Компьютеры, микропроцессоры и микроконтроллеры встроены теперь во многие приборы и машины, которые сильно поумнели. Умные машины – это начало второй технической революции, первая началась с паровых машин.

Стремительно меняется бытовая техника. Около десяти лет назад персональные компьютеры стали размером с книгу, а совсем недавно – меньше записной книжки. Многие жители планеты приобрели карманные радиотелефоны и различные крошечные электронные приборы, например, аудио-рекордеры системы МР-3 размером с тюбик женской помады. Переносная память для компьютеров с ума сводящей огромной емкости (несколько гигабайт) висит на поясе прохожего в связке с ключами. Цифровые фотоаппараты почти полностью вытеснили с рынка аппараты с фотопленкой. Видеоматрица такого фотоаппарата на кремниевой пластинке площадью менее квадратного сантиметра может иметь 5 миллионов пикселей (светочувствительных элементов). Размер одного пикселя около 3 мкм, соединяющие проводники здесь шириной около 1 мкм.

Сейчас разработчики интегральных схем уже изготавливают в массовом количестве полупроводниковые микросхемы (чипы) различного назначения с проводящими дорожками шириной около 0.5 мкм и предполагают подобраться к размеру проводящих дорожек и других элементов в 0.045 мкм, то есть, 45 нм. Один из последних чипов, используемый в бытовых компьютерах, поставил рекорд количества содержащихся в нем транзисторов - 302 миллиона! Такое неимоверно огромное число полупроводниковых приборов занимает объём всего лишь несколько кубических сантиметров. Если бы это количество транзисторов было выполнено в том виде, когда они начали широко использоваться в бытовой технике, и каждый из них весил около 0.5 грамма, то общий вес такого устройства составил бы более 150 тонн. Известны также очень маленькие чипы, габариты которых несколько сотых долей миллиметра. Число элементов в таком чипе невелико и функциональные возможности ограничены, но все же он может выполнять несколько компьютерных операций. Эти приборы уже получили собственное название – «компьютерная пыль». Впечатляющие достижения, но все-таки это – “микро-“ , а не нанотехника. Дальше уменьшать размеры элементов очень трудно, практически невозможно. Здесь уже мешают не только технологические, но и физические ограничения, преодолеть которые не трудно, а принципиально невозможно.

Одним из основных физических ограничений является тепловое движение атомов и молекул. Всякий атом, находящийся на границе раздела сред или даже вблизи неё, может довольно скоро покинуть свою среду и перекинуться в соседнюю. Неравномерности микросхемы выравниваются, и она становится практически гомогенной, то есть без всякого искусственно созданного рисунка. Этот процесс, который можно назвать диффузионным разрушением, идет во всех негомогенных энергетически не устойчивых системах, каковыми и являются интегральные микросхемы. Атомы мириадами улетают с поверхности раздела сред. Скорость процесса обратно пропорциональна размеру тела, потому что поверхность раздела (поверхность, через которую происходит диффузия атомов) пропорциональна квадрату размера, а объем тела кубу этого размера. Примем, что микронная деталь электросхемы может диффузионно разрушиться за 10 лет – приемлемый срок жизни микросхемы. Если же эта деталь будет иметь габариты в 100 раз меньше (10нм), то ее поверхность будет в 10 000 раз меньше, и через нее будет уходить вещество в 10 000 раз медленней, но вещества в этой детали в 1 000 000 раз меньше, чем в микронной и, следовтельно, уйдет оно в 100 раз быстрей, то есть срок жизни такой детали всего лишь около 1-го месяца, что технически неприемлемо. Диффузионное разрушение крупных тел мы почти не замечаем, например, миллиметровый шарик при тех же условиях будет «жить» приблизительно 10 тысяч лет.

Из других принципиальных ограничений рассмотрим еще туннельный эффект. Как было установлено, всякие элементарные частицы могут беспрепятственно и беспричинно перескакивать из одного тела в другое, если расстояние между границами раздела порядка некоторой дины волны, характерной для этой частицы. Так, электроны легко преодолевают любой изолятор, если расстояние между проводниками мало. При расстоянии 10 ангстрем (1нм) между токоведущими дорожками микросхемы утечка электронов вследствие туннельного эффекта становится сравнимой с током в проводящей микродорожке. Следовательно, дорожки микросхемы нельзя располагать слишком близко друг к другу. С учетом необходимой надежности работы микросхемы, а также погрешностей размеров и формы ее элементов, их следует размещать по проекту не ближе чем на 15 - 50 нм. Это предел миниатюризации электронных микросхем.

Мелкие частицы вещества. Работающие наночастицы различных веществ есть в современных спреях, красках, суспензиях и композитных материалах. Такие спреи и краски являются более эффективными и экономичными. Твердые материалы, изготовленные из наночастиц, имеют необычайно хорошие механические свойства. Катализаторы с нанопорами очень эффективны для химических процессов. Косметические кремы, содержащие твердые наночастицы, проявляют бактерицидные свойства, даже если в них нет антибиотиков или ядовитой химии. Как предполагают разработчики этих кремов, микробы дохнут, сожравши эти наночастицы, или смертельно ранятся о них. Неразборчивое, но эффективное оружие, подобное артиллерийской картечи. Изготовление наночастиц требует создания новой технологии. Нанотехнологией это назвать можно, но это не наноприборы.

Тонкие слои. Около трех тысяч лет известно сусальное золото. Это - очень тонкая почти прозрачная золотая фольга, которую наклеивают для украшения на дерево, металл и другие материалы. Уже древние мастера умели проковывать из золотого слитка тонкие, листочки до толщины 0,12 мкм (120нм). Чтобы золото не приставало к молотку и наковальне его помещали между двумя слоями плевы, содранной с говяжьей печени. И теперь умеют изготавливать сусальное золото, но по немного измененной технологии. Различные полупрозрачные зеркала имеют отражающее покрытие толщиной менее длины волны света, то есть несколько десятков и даже несколько единиц нанометров. Слои различных материалов толщиной несколько десятков ангстрем создаются современной технологией на поверхности заготовки полупроводниковых изделий (вейфер) с точностью до одного ангстрема (0,1 нм) по всей его площади, составляющей несколько квадратных дециметров. Для защиты алюминия создают на его поверхности очень тонкий окисленный слой толщиной в несколько и даже в одну молекулу окисла. Есть в каждом из этих искусственных объектов один размер нанодиапазона, но только один, остальные большие.

Микромеханика. Очень мелкую механику можно создать современными методами микротехнологии. На фиг.2 показаны миниатюрнейшие зубчатые колеса, изготовленные из сплава никеля в Центре микроэлектроники штата Северная Каролина.

Фиг.2. Миниатюрные зубчатые колеса

Шестеренка имеет диаметр около 80 микрон, зубцы ее высотой менее 10 мкм. Это не “нано-“ , а микромеханизм, но уже работает очень плохо. Касающиеся друг друга чистые поверхности зубцов слипаются, почти как при сварке. Разделяющая смазка или покрытия здесь практически невозможны. Попадание влаги или мельчайшей пылинки стопорит такой зубчатый механизм.

Работоспособными являются только микромеханизмы, не имеющие контактов между движущимися частями. Перемещение в них осуществляется в результате упругих деформаций микроэлементов, как, например, в модели вибрационного гироскопа, изготовленной методом фотолитографии в Университете г. Тель Авив при участии автора этого обзора (Фиг.3). Наименьшие размеры элементов здесь несколко микрон, габариты всего механизма существенно больше - около 4 мм.

Фиг.3. Модель вибрационного гироскопа 
1- масса, 2 - электростатический движитель, 3 - упругие связи, 4 - оптический сенсор 

О методе фотолитографии. Этот метод или, точнее, процесс состоит из нескольких этапов. На одном из первых заготовку (например, пластинку кремния или другого материала) покрывают тонким слоем фоторезиста. Этот материал подобен фоточувствительному слою на известной нам пленке для фотоаппаратов, но изготовлен из другого вещества, не имееющего зернистой структуры, что позволяет создавать намного более тонкий рисунок. Затем поверхность засвечивают через заранее изготовленный шаблон-маску. Возможны также варианты засветки без маски – управляемым тонким лучом света или электронным лучом. Для уменьшения погрешности от дифракции засветку производят возможно более коротковолновым излучением. Затем производится проявление, в процессе которого фоторезист на некоторых участках образца остается, на других удаляется в зависимости от их засветки. После этого образец травят на нужную глубину, реагент действует только на участки, свободные от фоторезиста. Для создания подвижных элементов пластинку кремния протравливают насквозь или эти элементы подтравливают снизу так, что они в нужных местах отрываются от базовой детали. Возможно не только удаление материала, но и нанесение дополнительных слоев различных материалов. Процесс фотолитографии довольно сложный и многоступенчатый, многие его этапы не упомянуты в данном кратком описании.

Умелец-ученый Гарольд Крагхед (ныне член Национальной академии наук США) изготовил в Корнельском университете методами фотолитографии микрогитару длиной всего лишь 10 мкм со струнами толщиной 50 нанометров (фиг.4). Демонстрационная игрушка, созданная для показа возможностей метода.

Фиг.4. Микрогитара

Атомный сканирующий микроскоп. Это - одно из последних величайших технических достижений, за которое его авторы Герд Биннинг и Гедрих Ремер получили в 1986 году Нобелевскую премию. Прибор устроен гениально и просто. Он вышел из семейства профилометров, с помощью которых уже очень давно измеряют неровности поверхностей разных деталей. Авторы прибора существенно повысили чувствительность профилометра, что дало качественный скачок: теперь можно заметить на поверхности отдельные атомы. Дальше повышать чувствительность некуда – меньшие частицы не сидят неподвижно на поверхности образца.

Фиг.5. Атомный щуп

Очень острый щуп (фиг.5), у которого на вершине всего лишь несколько атомов, подводится в сканирующем микроскопе на чрезвычайно малое расстояние к исследуемому образцу и «чувствует» через электрическое влияние высоту каждой мельчайшей неровности его поверхности. При помощи пьезокерамических движителей производится построчное и покадровое механическое сканирование образца. На экране компьютера посредством не слишком сложной программы появляется изображение поверхности, трехмерное, да ещё и цветное. Цвета условные, как на физической карте. На фиг.6 показано изображение поверхности твердого покрытия на кремнии, полученное автором с помощью сканирующего микроскопа. Очень похоже на горную местность земли.

Фиг.6. Изображение поверхности твердого покрытия на кремнии,
полученное с помощью атомно-силового сканирующего микроскопа

На фиг.7 поверхность свежего излома графита, изображенная с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Видны отдельные атомы, образующие кристаллическую решетку. Ни в каком электронном микроскопе, а тем более, в оптическом не разглядеть таких мелких деталей. Здесь же никакого света нет, производится ощупывание поверхности подобно тому, как слепой пальцами ощупывает предмет.

Фиг.7. Поверхность свежего излома графита, 
изображенная с помощью сканирующего туннельного микроскопа

Казалось бы, что если можно при помощи сканирующего микроскопа увидеть такие мелочи, то можно подобным прибором и изготавливать наноизделия, передвигая острейшим щупом атомы и молекулы. Было сделано несколько попыток. Наивысшим достижением миниатюризации является надпись “IBM” (фиг.8), состоящая из отдельных атомов ксенона, нанесенных в одной из лабораторий этой организации на поверхность никеля щупом прибора, аналогичного атомному сканирующему микроскопу. Демонстрационная модель, просуществовавшая не намного более срока, необходимого для фиксации её изображения.

Фиг.8. Слово "IBM", образованное 35-ю атомами

Получаемые наноизделия не устойчивы во времени, очень боятся повышенной температуры и прочих воздействий, а кроме того, безумно дороги. Отсюда следует, что таким путем изготавливать изделия нельзя. Этот путь в наномир тупиковый.

Полезным применением прибора на основе сканирующего атомного микроскопа может быть рукотворное изготовление молекул. Назовем эту технику механической химией. Острым щупом можно столкнуть вместе несколько молекул и атомов и при надлежащих условиях создать новую молекулу. Можно также разорвать щупом большую молекулу на части. Однако реально сделать так только одну или несколько молекул. Затем эти рукотворные молекулы должны повторяться сами. Иначе напрасны наши труды, разве что интересны для экспериментального доказательства возможности существования таких молекул.

Микроэлектроника и жизнь. Существенные успехи достигнуты в объединении микроэлектроники с живым организмом. Уже в массовом порядке делаются хирургические операции по вживлению человеку электронного стимулятора работы сердца. «Живет» такой прибор под кожей пациента, имеет собственное автономное электропитание и выдаёт сердцу через тончайшие провода необходимые электросигналы, а врачу по бесконтактному каналу может сообщать об истории своей работы и состоянии здоровья пациента. Этот прибор небольшого размера, но он не нанотехника.

Слуховые аппараты становятся всё менее габаритными. Человека со слуховым рожком можно увидеть только на старинных картинах. Ушли в прошлое носимые в кармане электронные усилители звука, соединенные проводами с микрофоном и наушником. Очки со встроенной в дужки электроникой, бывшие когда-то высшим достижением миниатюризации, теперь почти нигде не изготавливаются. В настоящее время используют миниатюрный, почти не заметный в ушной раковине пациента слуховой аппарат, в котором микротехника объединила наушник, микрофон и усилитель, в нем же и автономное электропитание.

Появились сообщения, что для восстановления слуха удается вживить электронику в среднее или внутреннее ухо и электрически соединить ее со слуховым нервом пациента. Поразительное достижение микроэлектроники. Еще более впечатлительны опыты по имплантации в глаз слепого человека электронной светочувствительной матрицы, соединяемой со зрительным нервом. Есть первые положительные эффекты, ждем надежных результатов.

Используется в медицине автономная капсула, габаритом менее сантиметра с микроэлектроникой внутри, которую может заглатывать пациент. Далее пищеварительная система продвигает эту капсулу подобно нерастворимой таблетке лекарства или кусочку пищи. Капсула может «видеть» изображение, измерять кислотность среды и прочие параметры в желудочно-кишечном тракте и даже, может быть, кое-что там лечить. Очень полезное устройство, заменяющее зонд, который пациенту доставляюет массу неприятностей. Однако, это устройство, основанное на использовании описанной выше интегральной электроники, всё-таки является прибором “микро-“ , а не нано-техники.

На основе успехов описанной «пищеварительной» капсулы появились предположения, что можно создать подобные совсем маленькие автономные микророботы, и запустить их в кровеносную и прочие системы человека для лечения и диагностики. Но, во-первых, на сегодняшний день нет для этого соответствующей техники и в ближайшее время, вряд ли, предвидится. Во-вторых, появление такого инородного тела в кровеносной или другой системе чревато закупоркой сосудов и поэтому чрезвычайно опасно для жизни организма. В-третьих, подобные микропутешественники уже имеются, созданы они природой, называются лейкоцитами, фагоцитами и прочими именами клеток организма, не закрепленных в определенных тканях. Дело медицины и биологии - улучшить работу этих живых микророботов, придать им новые полезные свойства, если это окажется необходимым.

Правильный путь. Похоже, что единственным реальным путем изготовления приборов нанотехники является путь, приведший к созданию биоорганизмов. Органическая жизнь совершенна, устойчива и целенаправленна. Существует еще не разгаданный нами механизм или процесс создания живых существ. Только использование такого или похожего пути перспективно для нанотехники. Если бы были возможны другие, но столь же продуктивные пути, то они бы уже были использованы природой. За миллиарды лет существования Земли на ней появились бы принципиально другие живые организмы. Но их нет в настоящее время, и их следов не сохранилось. Похоже, что таковых не было или они, оказавшись существенно худшего качества, быстро исчезли, не выдержав конкуренции. Может быть, они до нас ещё не долетели. Не будем расстраиваться от потерь в прошлм, ждать помощи от будущих пришельцев или придумывать несусветные процессы и конструкции, используем то, что уже есть. Может быть, наши искусственные существа будут в чем-то отличаться от существующих в природе, например, молекула ДНК будет закручена в противоположную сторону, однако хорошие решения природы целесообразно заимствовать хотя бы в общих чертах.

Приведем в качестве примера одно из реальных достижений науки в этом направлении. Только после того, как был заимствован один из принципов стабильности хромосомы, были синтезированы полимеры, устойчивые к воздействию высокой температуры. Длинные молекулы полимера были скреплены между собою попарно в нескольких местах химическими связями. Подобно тому, как это сделано в двойной спирали хромосомы. Получилось что-то подобное лестнице со ступеньками-перекладинами. Если температурное или другое воздействие рвет в каком-то месте боковину «лестницы», то обрывки этой боковины некоторое время болтаются, но в конце концов, встречаются друг с другом и снова объединятся в единое целое. Вероятность того, что одновременно порвутся обе боковины в одном участке этой лесенки реальна только при очень высокой температуре. Лет 30 назад была очень эффективная демонстрация этого изобретения. Лектор включил электрическую плитку, постелил на нее пластмассовую пленку и поставил сверху кружку с водой. К середине лекции вода закипела, а тонкая пленка оказалась совершенно целой. Приблизительно такую же структуру имеют пластиковые покрытия современных кухонных сковородок.

В последние годы крупные достижения имеются в биохимии и биотехнологии. Ученые смогли расшифровать строение молекул жизни – хромосом, узнать расположение генов, определить назначение многих из них. Следующим этапом явилось добавление или удаление генов. Разрезание и наращивание хромосом ведется в большинстве случаев с помощью вирусов, которые таскают на своих хвостах участки хромосом и по воле человека перемещают гены в нужное место. Это ли не нанотехнология? Такие науки, как генная инженерия, химия высокомолекулярных соединений, биохимия и биотехнология можно считать разделами нанотехнологии, или наоборот. Не в названиях дело, были бы разумные действия – появятся и существенные результаты. А результаты и успехи уже есть. Например, благодаря искусственно созданным новым урожайным сортам растений значительно меньше миллионов людей умирают от голода.

Выводы. В результате проведенного здесь обзора стало совершенно неясно – есть ли нанотехника или ее вовсе нет. Картина прояснится, если разделить описанные выше устройства и технологии на две группы.

К первой группе отнесем всё то, что создается методами, такими же или почти такими же, как в живой природе. В результате получаются организмы с некоторыми новыми свойствами, но не отличающиеся по принципу и структуре от существующих живых организмов. В этих методах и процессах производятся манипуляции с нанообъектами: молекулами и даже атомами. Это и есть нанотехнология. Здесь имеются значительные успехи. В будущем вероятно даже создание новых невиданных организмов, которые популяризаторы и фантасты называют словом «наноробот». Однако до создания таких нанороботов еще очень далеко, необходим существенный прорыв в науке о жизни, о которой пока мы знаем очень мало. Поэтому творить в этой области надо чрезвычайно осторожно - не навредить бы. Как говорил великий Ньютон: «Только большие знания приближают к Богу, малые же знания удаляют от него». Есть ли Бог, нет ли Бога - не важно (по крайней мере, в аспекте рассматриваемой здесь проблемы), важно понять, освоить и правильно использовать процессы, которыми природа создает свои творения.

Ко второй группе отнесем искусственные технологии и устройства, не встречающиеся в живой природе. В этой области человечество имеет значительные технические достижения, но только до уровня микротехники. Создание подобными методами нанороботов и прочих полезных наноустройств бесперспективно. Деньги на развитие этого направления выделяются, работы ведутся, научные и популярные статьи появляются, но прикрыть ими ничего нельзя: король наностраны с этой стороны голый и таким останется.

Техника безопасности. В заключение следует отметить чрезвычайно острую необходимость обеспечения безопасности нанотехники. В наш век расцвета терроризма очень опасно разрабатывать и изготавливать малогабаритную технику. Если большой боевой самолет трудно украсть, а тем более, тайно сделать, то маленький самолетик-жужжалку добыть гораздо легче. Террористы используют разработанные мирными инженерами мобильные радиотелефоны для вкладывания их в дистанционно управляемые мины. Малогабаритные переносные ракеты неведомыми путями попадают в руки бандитов, а потом пробивают самолеты, бронемашины и автомобили. В одном из писем, направленном сильным мира сего, я предлагал установить в таких опасных устройствах ограничители времени действия и/или опознаватели законного владельца и/или разрушители устройства при нефункциональной переделке. Однако сведений о внедрении подобных устройств пока не замечал. Понятно, что такая добавка сложна и не всегда возможна даже в мобильной технике, тем более, в микроустройствах. Трудностей установки блокировок в нанотехнику гораздо больше, но и опасностей больше неизмеримо. Человечество, да и всё живое на Земле может полностью исчезнуть при появлении одного вида искусственного абсолютно вирулентного вируса или бактерии. В природе нет таких вирусов, и защиты от них нет. Надежда только на то, что возможность изготовления абсолютного вируса появится не скоро, и что человечество к тому времени сильно поумнеет, а бандиты и террористы так и останутся темными и не способными создавать высокую технику.

Надежда слабая, может и не сбыться. Вот удивятся в далеком будущем какие-нибудь очень разумные млекодактили, прибывшие с дальней планеты: «Откуда тут эти странные железки и кости? Почему жизнь на Земле исчезла? Наверное, это было ошибочное направление развития».

Доложено на Ашдодском научном семинаре 12 марта 2007 г.
Статья поступила в редакцию 6 мая 2007 г.