Сегодня - 23.06.2017

Добро пожаловать в наномир

07 октября 2014

Приставку «нано-» уже успели заездить. Она стала и универсальным определением малости («клюют одни наноерши»), и маркером неуклюжей конъюнктуры («наноавтомойка»). К тому же «нано-» — это просто размерная характеристика. Один нанометр — миллиардная часть метра, меньше, чем длина волны видимого света и одна стотысячная диаметра человеческого волоса. В масштабе таких величин многие материальные объекты меняют привычные свойства, и поэтому из наномира выходят новые технологии в самых разных сферах. Известный физик (а также председатель Сибирского отделения РАН) академик Александр Леонидович Асеев приоткрыл двери в этот мир для студентов и школьников в ходе Всероссийского фестиваля науки (лекция прошла в Государственной публичной научно-технической библиотеке СО РАН).

Александр АсеевЕсли мы представляем себе наноразмеры, то понимаем, что нанотехнологии — это все мыслимые и немыслимые манипуляции с материальными объектами этих величин: «Мы имеем дело с удивительным миром, который пока плохо понимаем». Первыми нанотехнологами академик Асеев назвал средневековых  стеклодувов: «Люди тогда заметили, что если измельчить металлы в ступке и добавить в расплавленное стекло, то его цвет изменится. Разумеется, мастера не понимали, что такое размерное квантование и как оно связано с переменой спектра поглощения». Соответственно, пионером российского нанопроизводства учёный назвал Михаила Ломоносова, воспроизведшего европейские секреты у нас в стране и воплотившего свои результаты в мозаике «Полтавская баталия», украшающей здание Академии в Санкт-Петербурге.

В современных науках о наноструктурах есть свои легенды. Якобы в 2000-м году президент США Билл Клинтон завтракал в Белом доме с ведущими учёными страны (согласитесь, хорошая традиция!), которые решили раскрыть перед главой государства перспективы нанотехнологий. И на вопрос Клинтона о том, что это может дать, прозвучал ответ: «Вы размешиваете в кофе кусочек сахара. Так вот, на одном чипе намного меньшего размера сможет уместиться вся библиотека Конгресса (крупнейшая в мире, заметил А. Асеев)». Встреча привела к так называемой «нанотехнологической инициативе Клинтона» и в скором будущем — и к прорывным научным результатам, и к практическим инновациям. В частности, это высокопрочные материалы на основе новых форм углерода, средства адресной доставки лекарств к больным органам и, разумеется, новые решения для электроники.

Эти направления академик Асеев представил драйверами современных нанотехнологий: согласно прогнозу, суммарная ёмкость соответствующих рынков  в ближайшие 8-10 лет составит более 1 триллиона долларов, из которых около 700 миллиардов придётся на наноматериалы и наноэлектронику. «Если бы такой же прогресс, как в электронике, наблюдался в автомобилестроении, — сравнил Александр Леонидович, — то уже сегодня машина стоила бы несколько центов и проезжала бы без заправки многие тысячи километров». Учёный напомнил и о несколько забытых приоритетах нашей страны в этой сфере. Кристадин, первый твердотельный элемент для связи, был изобретен инженером Олегом Владимировичем Лосевым, а основоположником отечественной вычислительной техники (в том числе полупроводниковой) считается Сергей Алексеевич Лебедев. «Я ещё застал то время, — вспомнил лектор, — когда американцы приезжали в Академгородок учиться программированию на ЭВМ». Кстати, и по сей день у нас в стране есть на 100% отечественные компьютерные системы. Правда, спецназначения — такие, как «Багет», использующийся в правительственных и правоохранительных структурах.

Будущее наноэлектроники, считает академик Асеев, заключено как в поиске новых полупроводниковых материалов, так и в практическом использовании уже обнаруженных учёными эффектов: туннельных, спиновых, квантовых, фотонных… Учёный показал перспективы развития микро- и наноэлектроники в виде могучего и раскидистого древа. Его ствол — фундаментальные познания в физике твердого тела и квантовой механике, а сложная крона состоит из двух основных частей, связанных с использованием в качестве первичных частиц электронов или фотонов (особняком, на самой верхушке, отображены кванты). Оконечные ветви этого дерева — перспективные технологии, охватывающие почти без исключения все сферы экономики и обыденной жизни. Это интеллектуальные системы управления всем и вся, от самолетов и атомных электростанций до жилых домов. Это высокоэкономичные источники электроэнергии и света. Это стопроцентно защищенные системы передачи информации и тотального контроля в лучшем понимании, то есть в интересах обороны и безопасности… Перечисление далеко не полно: а в целом все системы будущего станут явно миниатюрнее современных. Некоторые из них пока существуют только в воображении. «Представьте себе, — обратился к молодёжи Асеев, — что вы просыпаетесь утром, дышите в приборчик, и он выдаёт вам полную картину состояния организма».

Академик Асеев — специалист по полупроводниковым материалам, каковым не мог не уделить повышенного внимания. Не всем студентам, возможно, были понятны тонкости функционирования многослойных структур или принципиальные основы молекулярно-лучевой эпитаксии… Зато молодёжи наглядно показали, что получается на выходе. Вот высокочувствительные фото- и теплоприёмники, лежащие в основе новых поколений приборов ночного и «сквозного» видения (кстати, академик обозначил принципиальный путь к невидимости в световом спектре, но это требует отдельного рассказа). Вот ставший знаменитым нанопроволочный сенсор биомолекул, вот названная по имени основного автора, доктора физико-математических наук Виктора Яковлевича Принца, «Принц-технология» получения нанотрубок… В идеале академик Асеев видит такое выращивание полупроводниковых структур, когда «…под контролем буквально каждый атом».

Но «нано-» не ограничивается только электроникой. Александр Леонидович рассказал о теоретически осуществимой идее «космического лифта». На самом деле, в принципе можно «раскрутить» и вывести на орбиту трос, натяжение которого обеспечит как гравитация Земли, так и центробежные силы. Да, его можно прикрепить к орбитальной станции и поднимать туда различные предметы. Но на планете еще не создан материал, способный выдержать такие нагрузки (для начала, вес самого троса): учёные уповают на перспективные волокна с использованием тех же нанотрубок. Напомнил академик Асеев и про экономическую цель нанотехнологий: «получать максимально сложные продукты с минимальными затратами». На этом поприще тоже есть первые успехи. В Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН получили растворимый наноструктурированный аспирин. Вроде бы ничего принципиально нового…кроме того, что для терапевтического эффекта требуется в пять раз меньше активного вещества. Нанокристаллический никель прочнее обычного в 6-10 раз: такой материал можно использовать для защиты внутренней поверхности труб парогенераторов АЭС. Добавление нанопорошка алюминия в ракетное топливо кратно увеличивает скорость его сгорания: это и энергетический эффект, и экономический. Нанотехнологии применимы и в более прозаических практиках. «Как бы вы без риска вымыли окна верхних этажей ГПНТБ СО РАН, где мы с вами находимся? — спросил Александр Леонидович. — Решить эту задачу помогут самоочищающиеся покрытия». Очистка воды и стоков, упрочнение привычных материалов… Нанотехнологии становятся частью нашей цивилизации буквально день за днём.

Андрей Соболевский

Фото: 1 — автора, 2 — из презентации А.Л. Асеева  

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus