Последние несколько десятилетий научно-технический мир буквально  поглощён проблемами нанотехнологий. Огромные деньги вкладываются в научные исследования в этой области. Разработка нанотехнологий и наноматериалов объявляются наиболее прогрессивными из научно-технических разработок двадцатого века инновационными технологиями. Рисуются сногсшибательные перспективы от внедрения нанотехнологий в жизнь. Постепенно нанотехнологии превращаются в наиболее перспективный вид бизнеса, в котором принимают участие учёные, бизнесмены, производственники и шарлатаны.

Валерий Бокарёв, кандидат химических наук, доцент

Последние несколько десятилетий научно-технический мир буквально  поглощён проблемами нанотехнологий. Огромные деньги вкладываются в научные исследования в этой области. Разработка нанотехнологий и наноматериалов объявляются наиболее прогрессивными из научно-технических разработок двадцатого века инновационными технологиями. Рисуются сногсшибательные перспективы от внедрения нанотехнологий в жизнь. Постепенно нанотехнологии превращаются в наиболее перспективный вид бизнеса, в котором принимают участие учёные, бизнесмены, производственники и шарлатаны.

Но давайте попробуем разобраться в новизне применения наноматериалов и нанотехнологий. Для этого нам понадобится определиться с терминологией в этой области. В настоящее время принято считать нанообъектами объекты, линейные размеры которых хотя бы по одной из пространственных координат меньше 100 нанометров, т.е. меньше одной миллиардной части метра. Естественно, для определения таких размеров нужно современное измерительное оборудование, которое отсутствовало в 19 веке. Но это не означает, что до XIX века отсутствовала нанотехнология, т.е. не использовались технологии изготовления и применения наноматериалов. Простейший пример – это применение сусального золота для покрытия элементов архитектуры и искусства, например лепнины во дворцах, музеях и театрах, куполов соборов, статуй, шкатулок, рам картин и ювелирных изделий. Технология изготовления сусального золота, толщина тончайших листов которого находится на уровне 100 нанометров, дошла до нас в практически неизменном виде из XV века! А само сусальное золото по современной терминологии относятся к наноплёнкам. Другой пример- применение коллоидных частиц металлов для окраски стёкол и керамики. Всем хорошо известны рубиновые звёзды московского кремля, но мало кто знает, что рубиновую окраску стеклу придают коллоидные частицы золота с диаметром частиц около 20 нанометров! А ведь производство окрашенных стёкол известно с древнейших времён и мы также должны отнести такую технологию к нанотехнологиям, использующим получение и применение наночастиц металлов. В древнем Китае на основе углеродных наночастиц, осаждённых из дыма горящих свечей, делали чернила.

Существует огромное количество природных объектов, которые по современной терминологии относятся к наноматериалам, а их также используют с древнейших времён. Это и драгоценные камни, например благородный опал, состоящий из сферических наночастиц двуокиси кремния, и ряд алюмосиликатных минералов, применяемых при производстве фарфора, и хорошо известный всем асбест, имеющий 20 нанометровый внешний диаметр отдельных трубчатых волокон. К важнейшим для химической промышленности природным наноматериалам относятся цеолиты, например минерал морденит, имеющий каналы диаметром 0,6 нм. Подобные минералы находят широкое применение в качестве сорбентов и катализаторов. Причём, имея поры строго определённых размеров, цеолиты поглащают только определённые газы и химические вещества, являясь прекрасными селективными сорбентами, способными эффективно разделять смеси различных газов.

Так почему же именно в коне XX века заговорили о нанотехнологиях?

Дело в том, что с середины двадцатого века резкое развитие получила микроэлектроника, основанная на применении полупроводниковых материалов для производства диодов и транзисторов, заменивших громоздкие вакуумные радиолампы и открывших путь к миниатюризации радиоэлектронных устройств. В свою очередь развитие микроэлектроники привело к развитию и совершенствованию оборудования для производства изделий микроэлектроники и проведения научных исследований в этой и смежных областях науки и техники. Новое измерительное оборудование позволило разглядеть строение веществ на атомарном уровне и даже манипулировать с отдельными атомами на твердой поверхности, выстраивая их в цепочки и слова. Однако такие эксперименты, требующие сверхвысокой чистоты, низких температур и давлений нельзя отнести к промышленным нанотехнологиям из-за их  плохой воспроизводимости и низкой производительности. Сама же технология микроэлектроники примерно с 70-х годов прошлого века является единственной инновационной промышленной нанотехнологией, т.к. при производстве полупроводниковых структур используются технологические процесс воспроизводимого получения нанослоя диэлектриков, в частности, подзатворного окисла в кремниевой технологии интегральных схем. Поэтому все современные микроэлектронные устройства получаются по нанотехнологиям и являются инновационными в результате постоянных совершенствования и миниатюризации. Современная технология микроэлектроники требует гигантских затрат для перехода к всё более миниатюрным устройствам. Прогресс в изготовлении технологического оборудования для микроэлектроники позволяет продвигаться всё дальше и дальше в область наноразмеров. Но появляются и новые проблемы. Одна из самых существенных – это материал проводниковой разводки. С уменьшением линейных размеров интегральных схем и увеличением плотности элементов на подложке (увеличением степени интеграции) всё острее встаёт проблема межсоединений, т.к. с увеличением степени интеграции микросхем увеличивается суммарная длина металлической разводки, связывающей отдельные полупроводниковые структуры между собой, и уменьшается площадь сечения проводников. Это приводит к увеличению сопротивления, а значит и к потерям энергии при работе микросхемы в виде выделяющегося тепла. Причём выделяемое тепло может привести к плавлению разводки и разрушению микросхемы. Поэтому по мере роста степени интеграции микросхем стали переходить на материалы подложек, обладающие максимальными значениями теплопроводности, для эффективного отвода от микросхемы выделяющегося при её работе тепла. Но такой переход приводит к  значительному удорожанию и усложнению технологии изготовления сверхбольших интегральных схем (СБИС). Одновременно с этим стали заменять алюминиевую разводку на медную, обладающую меньшим удельным сопротивлением. Но такая замена также усложнила технологию изготовления СБИС и не решила проблемы теплоотвода при дальнейшем увеличении степени интеграции СБИС. Оказалось, что при уменьшении диаметра проводника примерно до наноразмера (100 нм и менее) начинает увеличиваться величина удельного сопротивления материала (См. например журнал Nature 2006, том.440, стр.69). Можно показать, что по мере уменьшения диаметра металлического проводника, начиная примерно с 5 нанометров, удельное сопротивление материала начинает резко возрастать, а при диаметре близком к 1 нм проводники становятся диэлектриками! Экспериментально это показано на примере нанодорожек из золота, а объясняется весьма просто: по мере уменьшения линейных размеров любого твёрдого вещества увеличивается количество атомов на его поверхности и уменьшается в объёме. Объёмные  атомы имеют характерное для данной кристаллической структуры окружение, называемое координационным числом (КЧ) и именно эта конфигурация определяет электропроводность данной кристаллической модификации вещества. В отличие от объёмных, атомы на поверхности твердых тел окружены меньшим количеством атомов, что и приводит к изменению электропроводности при наноразмерах. Это хорошо видно из рисунка 1, на котором представлен фрагмент наиболее простой, примитивной кубической структуры кристалла.

Рис.1. Пример примитивной кубической структуры кристалла

Как видно из рисунка, объёмные атомы окружены 6ю другими и КЧ и них равно 6. Атомы, находящиеся в вершинах кристалла имею 3х ближайших соседей (КЧ=3), атомы на гранях имеют КЧ= 5, а атомы на ребрах кристалла КЧ= 4. Отметим, что КЧ у металлов, как правило, превышает 6 либо равно 6, а при КЧ=4 и менее мы имеем дело с полупроводниками и диэлектриками. При этом у одноатомных цепочек любого металла КЧ=2 и такие цепочки атомов не могут обладать металлическими свойствами.

В идеале, при наноразерных элементах микросхемы, нужна разводка между её элементами из сверхпроводника, не обладающего электрическим сопротивлением при комнатной и более высокой температуре. Над созданием таких материалов работают крупные научные коллективы во всём мире и в будущем такие материалы, несомненно, появятся.

Поэтому вторым, после микроэлектроники, перспективным направление нанотехнологий можно считать создание новых наноматериалов, опять же в первую очередь для микроэлектроники.

Рис.2. Фуллерены и углеродные нанотрубки. по http://www.nanonewsnet.ru/

Разработка новых поколений измерительных приборов, способных изучать объекты нанометровых размеров, позволила обнаружить неизвестные ранее формы твёрдых веществ, имеющие манометровые размеры. К наиболее интересным из них относятся фуллерены и углеродные нанотрубки. Эти нанообъекты имеют упорядоченное строение и даже образуют кристаллы. Так фуллереновый кластер С60, состоит из 60 атомов углерода и имеет форму футбольного мяча с 12 пятиугольными и 20 шестиугольными гранями. Как и графит, фуллерен способен образовывать соединения со щелочными металлами. Причем полученные соединения проявляют свойства сверхпроводимости при температурах до 33К. В отличие от фуллеренов углеродные нанотрубки можно представить как свернутый в цилиндр по одному из кристаллографических направлений моноатомный слой графита, или как его сейчас называют – лист графена с полусферами фуллерена замыкающих концы нанотрубки (См. рисунок 2).

Исследования показали, что в зависимости от того, как свернут такой графитовый монослой, нанотрубки обладают либо металлическими либо полупроводниковыми свойствами. Причём электропроводность «металлических» нанотрубок намного превосходит электропроводность любого металла. Поэтому на их основе можно создать различные полупроводниковые схемы с наноразмерными транзисторами. Однако, для этого необходимо научится манипулировать и закреплять отдельные нанотрубки на поверхности подложи с высокой точностью и производительностью. Кроме того, надо предварительно отделить синтезированные проводящие нанотрубки от полупроводниковых, фуллеренов и графита, находящихся в общей смеси после синтеза. Причём в результате синтеза могут быть получены как однослойные нанотрубки, так и многослойные, но для изготовления нанополупроводниковых устройств необходимы только однослойные. Поэтому данное направление находится в стадии интенсивных разработок, но говорить о массовом промышленном производстве пока ещё рано. Высокая электрическая проводимость углеродных нанотрубок, на много превышающая электрическую проводимость меди, и их наноразмерный диаметр, делают их идеальными материалом для замены металлической разводки в создаваемых интегральных схемах нового поколения. В то время как обычная металлическая разводка фактически себя исчерпала и начинает ограничивать дальнейшее уменьшение линейных размеров СБИС (сверхбольших интегральных схем).

Развитие микроэлектроники привело к появлению нового направления в науке и технике – к микромеханике, которую многие отождествляют с нанотехнологией, но это не так. Современные микромеханические системы имеют размеры, как правило, превышающие 1 микрон, а наиболее сложные – миллиметровые и даже сантиметровые размеры. Поэтому говорить о наноразмерных роботах пока что преждевременно. Тем не менее, за подобными системами будущее, хотя и эти системы базируются на технологии микроэлектроники.

Применение нанотехнологий в микроэлектронике является наиболее важным из всех нанотехнологических направлений и уже в обозримом будущем приведёт к разработке искусственного разума и суперкомпьютеров, имеющих миниатюрные размеры и потребляющих незначительную энергию.

Ещё одним из перспективных направлений нанотехнологии является разработка и изготовление нанокомпозиционных материалов, обладающих повышенными прочностными либо другими характеристиками по отношению к обычным материалам. В отличие от микроэлектроники, данное направление не требует для своего развития огромных финансовых вливаний, но также может привести к впечатляющим результатам. Здесь и разработка новых высокопрочных материалов для авиационной и космической промышленности, и создание материалов поглощающих электромагнитное излучение в видимом, высоко- и сверхвысокочастотном диапазонах, и изготовление фотонных кристаллов, и разработка новых гетерогенных катализаторов.

Внедрение же самих наноразмерных частиц в повседневную жизнь в виде носителей лекарств, наполнителей для фильтров воды, добавок в косметические средства и тому подобного требует длительной и тщательной всесторонней проверки их безвредности, т.к. их неблагоприятное воздействие на организм человека и окружающую среду может проявиться через годы и даже десятилетия.