Основы физического наностроения

      Кантилеверы, создававшиеся первоначально для  нужд атомно-силовой микроскопии, демонстрируют  высокую чувствительность не только к приложенным силам, но и к химическим реакциям на поверхности, магнитному полю, теплу, свету. Массивы кантилеверов из кремния, получаемые хорошо разработанными в полупроводниковой промышленности технологиями и содержащие несколько десятков (а иногда и сотен) отдельных датчиков, позволяют реализовать на одном чипе функции “электронного носа” или “электронного языка” для химического анализа газов и жидкостей, воздуха, продуктов питания. Так, разработан сенсор, представляющий собой кантилевер с “пришитой” химически биомолекулой на кончике острия. Эта молекула (например, антитело или энзим) может селективно вступать в химическое взаимодействие только с избранными веществами, которые могут находиться в многокомпонентном растворе. Захват определенной молекулы из раствора и связывание ее на кончике острия приводит к изменению резонансной частоты кантилевера на известную величину, что расценивается как доказательство присутствия детектируемых молекул в пробе. Легко понять, что чувствительность и избирательность таких сенсоров позволяет обнаруживать и регистрировать отдельные молекулы в растворе!

      Отметилась  зондовая техника и среди претендентов, обещающих повысить плотность записи информации. В частности, компания IBM финансирует проект “Millipede” (от лат. - тысяченожка), возглавляемый одним из нобелевских лауреатов 1986 г. Биннингом. Первоначально в качестве прототипа использовали модифицированный атомно-силовой микроскоп, который наносил на поверхность пластика отпечатки путем наноиндентирования. Однако для этого нужен весьма жесткий и массивный кантилевер, что делает процесс записи и считывания малопроизводительным. В проекте для увеличения производительности предлагается использовать одновременно несколько тысяч кантилеверов, собранных в матрицу (опытный образец имеет 1024 острия, размещенных на площади 3ґ3 мм²). Каждый кантилевер имеет длину 70 мкм, ширину 10 мкм и толщину 0.5 мкм. На его свободном конце сформировано острие высотой 1.7 мкм и радиусом в вершине менее 20 нм. Для уменьшения требуемых при наноиндентировании усилий, снижения массы кантилевера и увеличения стойкости острия последнее нагревают короткими импульсами тока до 300-400°С, что локально размягчает пластиковую пленку, на которую записывается информация. В процессе доводки - матрица 64ґ64 острия на площади около 7 мм². Она имеет общую производительность несколько сотен Мбайт/с как при записи, так и при считывании.

      Биннинг с оптимизмом заявляет, что за несколько  лет группа надеется преодолеть терабитный барьер (имеется в виду ~Тбайт/дюйм²) и приблизиться к атомной плотности записи (~103 Тбайт/см²), что в принципе достижимо методами атомно-силовой микроскопии. Заметим, что помимо IBM и другие компании (“Hewlett-Packard”, “Hitachi”, “Philips”, “Nanochip”) ведут интенсивные разработки устройств со сверхвысокой плотностью записи. Так что сейчас трудно сказать, какие из этих продуктов ждет коммерческий успех. Но интуиции нобелевских лауреатов, видимо, стоит доверять, как это делают такие гиганты, как IBM.

      Итак, зондовые методы стали универсальным  средством исследования, атомарного дизайна, проведения химических реакций между двумя выбранными атомами (молекулами), записи и хранения информации с предельно возможным в природе разрешением ~10^–10 м (для атомарных структур), а также последующего ее считывания.

      Что впереди?

      Дальнейшее развитие нанотехнологии предусматривает переход от отдельных элементов и их сборок к интегрированию сенсорной, логически-аналитической, двигательной и исполнительной функции в одном устройстве. Первый шаг в этом направлении - создание микро-нано-электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нанопроводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нанонасосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см². Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).

      Министерство  обороны США, например, финансирует  программу создания “Smart dust” - умной  пыли, т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.

      Есть  и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-“доктора”, которые будут сочетать функции  диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм, и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.

      Ключевые  технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.  
 

      Литература

      1. Нанотехнология  в ближайшем десятилетии / Под  ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. М., 2002.

      2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2003.

      3. Drexler E.K., Peterson C.H., Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. N.Y., 1993.

      4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.

      5. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века // Природа. 2000. №11. С.23-30.

      6. Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам // Природа. 2002. №12. С.28-36.

      7. Ковальчук М.В., Клечковская В.В., Фейгин Л.А. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт // Природа. 2003. №11. С.11-19.

      8. Владимиров Ю.А. О пользе белковой кристаллографии // Природа. 2003. №11. С.26-34.

      9. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Природа. 2003. №4. С.60-68.

      10. Андриевский Р.А. // Перспективные материалы. 2001. №6. С.24-35.

      11. Трефилов В.И., Щур Д.В., Тарасов Б.П. и др. Фуллерены - основа материалов будущего. Киев, 2001.

      12. Осипьян Ю.А., Кведер В.В. // Материаловедение. 1997. Т.1. №1. С.3-9; №2. С.5-11.

      13. Алферов Ж.И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №3. С.3-18.

      14. Минкин В.И. // Рос. хим. журн. 2000. Т.44. №6. С.3-13.

      15. Дедков Г.В. // УФН. 2000. Т.170. №6. С.585-618.

      16. Golovin Yu.I., Tyurin A.I., Farber B.Y. // J. Mater. Sci. 2002. V.37. P.895-904.

      17. Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V. et al. // Phil. Mag. A. 2002. V.82. №10. P.2173-2177.

      18. Vettiger P., Cross G., Despont M. et al. // IEEE Transactions on Nanotechnology. March 2002. V.1. №1. P.39-55.

      19. Social Implications of Nanoscience and Nanotechnology / Eds M.C.Roco and W.S.Bainbridge. Dordrecht, 2001.