Сегодня - 22.06.2018

Виктор Принц о нанотехнологиях: «Мы не имеем права отстать на десятилетия»

24 мая 2018

Восемнадцать лет назад ученые Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН предложили уникальную нанотехнологию, позволяющую создавать из полупроводниковых пленок массивы трехмерных наноструктур. «Наука в Сибири» поговорила с автором этой технологии заведующим лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур доктором физико-математических наук, профессором Виктором Яковлевичем Принцем о том, что сегодня представляют собой нанотехнологии и насколько они развиты в нашей стране. 

— О нанотехнологиях в России говорят далеко не первый год. Почему, несмотря на старания правительства, прорыва не произошло?
 
— Лет десять назад наша страна решила заняться этой сферой, вложила в нее деньги, но в значительной степени это была «ура-кампания». Денег было не так много, но, что страшнее, постоянно происходила грубая подмена понятий: за «нано» выдавались объекты, которые были в сотни,тысячи раз больше нужных размеров. В большинстве случаев это были нанотехнологии низкого уровня: добавление нано-, а порой и микрочастиц в полимеры. Человечество использовало такие методы еще при формировании цветных стекол в Древнем Египте, витражей — в Средневековой Европе. До лабораторий деньги просто не доходили. Оборудование поставлялось в университеты, многие из которых не были готовы к серьезным технологическим исследованиям. А тем временем в СШA, Европе, Японии, Китае, Южной Корее шла целенаправленная систематическая работа в условиях конкуренции — в итоге сегодня область высоких нанотехнологий уже вносит большой вклад в их экономику. Например, выпуск только одного типа устройства: флэш-памяти на 520 GB, приносит компании Samsung Electronics 10 миллиардов долларов в год.
 
 
Виктор Принц
 
— И насколько сильно наше отставание от мировых достижений?
 
— Думаю, что в области высоких нанотехнологий оно составляет более пятнадцати лет, и это серьезная проблема. Еще немного, и такое положение дел всерьез скажется на технологическом суверенитете и безопасности страны, медицине и многих других сферах. Мы не имеем права отстать на десятилетия в развитии нанотехнологий. Необходимо изменить отношение к технологиям.
Наш Институт физики полупроводников СО РАН — лидер среди академических институтов страны в области нанотехнологий. Но даже здесь при докладах и отчетах, посвященных, например, разработке фотоприемников или новых наноматериалов, можно услышать вопрос: «А где у вас физика полупроводников?». Удивительно, но в стране нет и институтов, в названии которых было бы слово «технологии» и которые бы реально за них отвечали. Для сравнения, в США таких больше сотни, причем среди этих институтов есть такие гиганты, как, например, Massachusetts Institute of Technology.
 
У России есть большие успехи в фундаментальных областях физики, химии, биологии, но нет интереса к систематическому эволюционному развитию технологий, а ведь без этого многие результаты фундаментальных исследований не могут быть внедрены. Анализ российской науки показывает: темы российских исследований мало пересекаются с тем, что исследуют на Западе: руководители проектов в нашей стране часто работают над задачами, которыми занимались в прошлом веке, 30—50 лет назад, оставляя современные темы за бортом.
 
— Кто должен определять эти темы?
 
— У нас в стране они должны задаваться государством. Мне кажется, на сегодняшний день лучше всего это делает Российский научный фонд. В Фонд фундаментальных исследований технологии практически не входят, зато недавно появился новый Фонд перспективных технологий — надеюсь, он не будет «срывать яблоки, не поливая яблоню», а предоставит возможность целенаправленной систематической работы ведущим коллективам страны.
 
В истории нашей страны были времена, когда государство бралось за решение жизненно важных проблем, происходил резкий скачок в развитии. Не знаю, возможно ли это в современных условиях. Требуется систематическая работа, эволюционный рост. К тому же трудности связаны не только с недостаточным финансированием и недостатком оборудования: настоящих технологов, людей с определенным складом ума, чрезвычайно мало, а на их обучение (уже после окончания университета) нужно потратить лет пять. Они должны обучиться работать на высокотехнологичном оборудовании, чувствовать технологические нюансы.
 
— С какой скоростью вообще развиваются нанотехнологии? Каковы области их практических применений?
 
— Например, чтобы уменьшить размеры транзисторов в два раза, такие гиганты, как Intel, тратят пять лет. Их результаты потрясают — на подложке одновременно формируются триллионы высококачественных нанотранзисторов. На каждого жителя Земли в год производятся пять миллиардов транзисторов. У нанотехнологий очень широкое применение: безопасность, медицина, транспорт, экология. 
 
Сейчас уже созданы интеллектуальные устройства, сверхбыстрые компьютеры, новые наноматериалы. Например, миниатюрная флеш-память (2 ТБ), объем памяти которой сравним с памятью простого компьютера. Разработаны сверхчувствительные наносенсоры и гибкая носимая электроника, предназначенные для медицинских, аэрокосмических приложений и «Интернета вещей». Уже продаются дисплеи и телевизоры с ультравысокой разрешающей способностью и эффективностью, которые используют квантовые точки для создания более ярких цветов.
 
Для многих применений созданы сверхгидрофобные, самоочищающиеся, антиотражающие, антимикробные и адгезивные поверхности. Разработаны новые технологии секвенирования генов, нанокапсулы для адресной доставки лекарств, материалы для регенеративной медицины, интенсивно ведутся работы по копированию мозга и формированию нейроморфных обучаемых сетей. Спектр уже созданных и разрабатываемых продуктов нанотехнологии огромен — необходимо серьезное отношение к этой области.
 
 
Виктор Принц
 
— Расскажите о своей технологии, в чем она заключается?
 
— Как и многие разработки в России, она была создана не благодаря, а вопреки. Технология позволяет формировать трехмерные структуры — журнал Science в свое время написал, что она «выкатилась из Сибири». С ее помощью можно формировать структуры и приборы, которые нельзя сформировать другими технологиями. У нее есть своя ниша.
 
Кратко о сути. Исходными у нас являются многослойные структуры: например, содержащие три слоя из разных полупроводников. Первым на подложке располагается жертвенный слой, а когда формируется второй и третий, их атомы, под действием межатомных сил, располагаются точно над атомами предыдущего слоя. Это происходит несмотря на то, что второй и третий уровни формируются из разных материалов, у которых в свободном состоянии атомные решетки имеют разные размеры. Если расстояние свободного состояния атомов изначально больше — пленка сжимается, если меньше — растягивается. Когда жертвенный слой отсоединяется, остальные стремятся вернуться в исходное положение — возникает момент сил, и пленка сворачивается. 
 
Когда эти эксперименты только начинались, никто не верил, что таким образом можно создать, например, трубку диаметром меньше микрона. Но мы смогли разработать технологию отсоединения пленки толщиной всего в два атомных слоя — она была в тысячу раз тоньше, чем нам предсказывали. Соответственно, и минимальный диаметр трубки был равен всего двум нанометрам, тоже почти в тысячу раз меньше предсказанного.
 
В действительности этот метод включает много технологических операций. Со временем мы научились создавать целый класс структур: спирали, гофрированные пленки, полусферы и так далее. У каждой из них есть свои особенности и свои приложения.
 
— Эта технология уже нашла применение?
 
Да, то, что сделано с ее помощью, нельзя сделать по-другому, потому что слои выращиваются с необычайной точностью, а диаметр полученных структур невероятно мал. Например, мы смогли создать тончайшие иглы для инъекций в биологии, сенсор магнитного поля и ряд электромагнитных метаматериалов. Но на Западе с помощью этой же технологии делают сотни разных вещей: маленький трубчатый лазер, медицинский чип, нанороботов… огромное разнообразие разработок. За 18 лет она сформировала целое направление в разработке и изготовлении наноприборов и наноматериалов. Результаты изложены в нескольких тысячах статей, индексируемых WoS, более чем в 30 обзорах, в многочисленных учебниках. Международные конференции (Япония, Германия), а также специальные секции (США) были посвящены только данной технологии. К сожалению, в России применять наш метод непросто: это довольно высокая полупроводниковая технология. 
 
Впрочем, недавно нашей технологией сворачивания, с помощью технологии 3D-печати в моей лаборатории был сформирован целый ряд новых материалов, позволяющих управлять терагерцовым излучением (Scientific Reports, 2017 и Journal of Applied Physics, 2017). Это так называемые электромагнитные метаматериалы — искусственно сконструированные материалы с необычными свойствами, отсутствующими в природе. Они формируются из резонансных элементов, размеры которых меньше длины волны. Когда в них распространяется излучение резонансной частоты, вторичное излучение получается куда выше, чем у атомов и молекул привычных нам веществ. Эти разработки предназначены для многих областей: от космических систем до медицины.
 
— В каких вообще областях ваша технология, да и нанотехнологии в целом имеют наибольший потенциал?
 
— Нужно понимать, что нанотехнологии — это манипуляции с веществом на атомарном или молекулярном уровне. Их цель — создать искусственные материалы, устройства, системы, которые будут превосходить уже существующие. И это, конечно, абсолютная технология: она обеспечивает прогресс во всех известных технических приложениях, от земных до космических! Поэтому важно приложить усилия, чтобы сократить разрыв в этой области между нашей страной и мировыми лидерами. 
 
Если еще лет двадцать назад считалось, что рано вкладывать деньги в нанотехнологии, то теперь у них огромный экономический эффект, и на развитие отрасли в России нужно не меньше двух десятилетий. Зарубежные страны пришли первыми на рынок: они совершали много ошибок, проверяли достижимость цели, затратили огромные средства на продукты, многие из которых не пошли в продажу — их опыт дал нам понимание, во что надо вкладывать деньги. Одна из стратагем Сунь Цзы в «Искусстве войны»: выходи вторым — приходи первым. Именно это мы и должны начать делать.
 
Чрезвычайно важно, чтобы при развитии Академгородка было предусмотрено создание Института передовых нанотехнологий, ориентированных на наносенсоры, наноматериалы, интегральную нанофотонику, бионику, наномедицину. Должен, наконец, сработать закон неравномерного экономического развития. Я верю, что настало время экономического подъема России.
 
Подготовила Наталья Бобренок
 
Фото автора
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 4.5 (4 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus