Наш ученый вместе с американским впервые получили российскую премию за успехи в нанотехнологии
Научная брюква и нанокефир
Когда в 1982 году майский пленум ЦК КПСС одобрил Продовольственную программу СССР, ученых всей страны призвали поспособствовать выполнению программы и увеличению количества картошки, морковки и брюквы на прилавках советских магазинов. В нашем Институте химической физики АН СССР приказали всем завлабам немедленно представить планы научных работ по этому направлению. А еще лучше – объяснить, как уже осуществляемые исследования помогут выполнить программу.
В течение дня выяснилось, что 99% лабораторий прямо или косвенно давным-давно занимаются картошкой и морковкой. И действительно, разве катализ с использованием фосфорной кислоты не связан с фосфатными удобрениями? А разработка сверхпроводников не снизит энергозатраты в сельском хозяйстве? Не знаю, что там придумали наши секретные лаборатории, занимавшиеся, кажется, ракетным топливом, но и они вполне могли представить отчет о внедрении новых типов керосина для ракет и спутников. Эти спутники путем сканирования полей сообщали бы о степени созревания брюквы.
Увы, похоже, что нечто подобное происходит и с нанотехнологией. К модному и обильно профинансированному направлению науки потянулись искатели грантов, в большой части ранее даже не подозревавшие о существовании приставки «нано». Причем правительство выделило на нанотехнологии не только умопомрачительные 130 миллиардов рублей, но и места в Академии наук (десять академиков, двадцать членов-корреспондентов).
- Трудно удержаться, чтобы не положить на алтарь нанотехнологии свой проект или себя самого. Не осталась в стороне и коммерция – каких только нанотоваров не придумали ушлые негоцианты: нанокрем, нанокефир! А что если завтра станет модной приставка «пико» (одна триллионная метра) – рекламщики придумают «пикокефир»?
Миллионная премия за миллиардную долю
Разумеется, как в разгар исполнения Продовольственной программы были привлечены и серьезные ученые, реально занимающиеся повышением плодородия и выведением новых сортов растений, так сейчас существует и настоящая нанотехнология. Нанометр – это одна миллиардная метра, и именно с объектами такого размера имеют дело настоящие исследователи, и двое из них только что стали лауреатами учрежденной в этом году Международной премии в области нанотехнологий "RUSNANOPRISE-2009.
- Этими учеными стали российский академик Леонид Келдыш и американский профессор Альфред И Чо, а премию они получили за разработку «Полупроводниковых сверхрешеток и технологии молекулярно-лучевой эпитаксии».
В 2009 году премия присуждается по направлению «наноэлектроника». Фонд премии составляет 3 миллиона рублей, а возглавляют Комитет по присуждению Международной премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE-2009 по направлению «наноэлектроника» генеральный директор РОСНАНО Анатолий Чубайс и вице-президент РАН, лауреат Нобелевской премии, академик Жорес Алферов.
- Нанометр – величина, сравнимая с размерами атомов и простых молекул. Можно было бы сказать, что нанотехнология оперирует с объектами такого размера, и это было бы верное утверждение – однако крайне неполное.
Будущий нанотехнолог возьмет пару атомов железа, две-три штуки атомов кислорода, добавит к ним атом кремния или чего-нибудь еще и получит сверхмалый аппаратик или приборчик, который станет сверхминиатюрной ячейкой памяти компьютера. Или будет работать в качестве микрохирурга, который «отшкурит» вашу артерию от холестериновых бляшек, самостоятельно продвигаясь внутри сосуда. Так что нанотехнолог не измельчает вещество до ничтожного размера с целью получить нечто очень маленькое, а работает «наоборот» – из ничтожного размера частиц собирает нужную ему конструкцию. Важно, что эта конструкция будет обладать совершенно другими свойствами, чем изготовленная путем измельчения. И свойства эти задаст нанотехнолог.
Шесть девяток после запятой
Итак, что же сделали российский и американский ученые, если перевести формулировку присужденной им премии на человеческий язык? Оказывается, еще в 1962 году физик-теоретик Леонид Келдыш из знаменитого ФИАНа (Физический институт имени Лебедева) опубликовал несколько статей, в которых предсказал перспективность полупроводниковых наноструктур для электроники и оптоэлектроники.
- Академик и лауреат Нобелевской премии Виталий Гинзбург считает, что главной задачей нанотехнологии является «конструирование кристаллических решеток веществ с требуемыми нам свойствами, в частности, таких, чтобы возникла высокотемпературная сверхпроводимость. Сами по себе такие решетки получиться не могут, их надо конструировать». И работы Леонида Келдыша – важный шаг в этом направлении. Но этот шаг – чисто теоретический, а довел идеи российского провидца в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века американец китайского происхождения, ведущий сотрудник не менее знаменитых Bell Laboratories профессор Альфред И Чо. Разработанная им технология получила название молекулярно-лучевой эпитаксии.
Последнее слово означает наращивание слоев кристалла, одного на другой. Собственно говоря, когда растет любой кристалл, пусть даже школьный кристалл медного купороса на ниточке, он «занимается» эпитаксией, но в этом случае кристаллические слои по составу одинаковы, это все тот же медный купорос (сульфат меди). А полупроводниковой и вообще микроэлектронной промышленности требуется наращивание слоев различных веществ. Лучшей технологией для этого оказалась молекулярно-лучевая.
- Для реализации этой технологии требуется камера со сверхвысоким вакуумом, в которую помещаются тигель из сверхчистого тугоплавкого материала (например, графита) и нагреватель. В тигель помещают нужное для нанесения вещество, испаряют его и направляют поток испаренного вещества (например, металла) на кристаллическую подложку. Все это требует тончайшей регулировки, но в результате удается нанести слой заданной, нанометровой толщины. Чтобы оценить трудности, которые пришлось преодолеть создателям технологии, приведем лишь значение чистоты испаряемого материала: эта величина не должна быть ниже 99,999999%.
Предсказанная Леонидом Келдышем и реализованная Альфредом И Чо молекулярно-лучевая эпитаксия широко применяется для производства сверхбыстродействующих элементов таких устройств, как сотовые телефоны и проигрыватели компакт-дисков, вычислительные системы и оптоволоконные коммуникационные сети, а также радары, спутниковые системы связи, телевидение и многое другое.
Одна миллиардная и триллион
Можно надеяться, что Комитет по присуждению RUSNANOPRISE-2009 не пойдет по сомнительному пути премии «Глобальная энергия», среди лауреатов которой почему-то обязательно присутствуют российские ученые.
- Заметим, что среди сотен лауреатов Нобелевской премии шведов совсем немного. В нашем случае академик Леонид Келдыш, безусловно, заслужил премию по нанотехнологии – Россия действительно занимает здесь передовые позиции. Рынок нанотехнологических разработок оценивается в 1 триллион долларов – мы вполне можем претендовать на значительную долю этого рынка и не пропустить очередную научно-техническую революцию.
Вот что нам поНАНОбится
Самые ожидаемые и востребованные из наноизобретений, которые появятся в ближайшие лет 10–20, – это нанороботы для выполнения различных операций. Прежде всего медицинские микроботы, как их сейчас стали называть и которые будут исправлять ошибки природы и самого человека, путешествуя по его кровеносной системе и внутри различных органов. Они срежут холестериновые бляшки в сосудах, измельчат камни в печени и почках, выведут соли-уреаты из суставов и таким образом избавят человечество от подагры. Скорее всего им же поручат сшивать сосуды и нервы при операциях, особенно в нейрохирургии.
- Микроботы можно будет запустить в самые узкие трубы газо- и водоснабжения, они обнаружат каверны и «залечат» их – возможно, своими собственными телами. Очевидно, что из микроботов получатся также отличные шпионы, которые смогут проникать в стан врага по различным кабелям, собирать там информацию и возвращаться домой за получением очередной нанозвездочки на свои нанопогоны. Микроботы можно будет сделать и в России – в Курчатовском центре синхротронного излучения и нанотехнологий (директор член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук) собран коллектив высококлассных специалистов.
Автор: Пётр Образцов
