Наноматериалы, наноэлектроника
и нанобиотехнологии
Из доклада академика А.Л. Асеева.
Первую часть основного доклада «Наноматериалы, наноэлектроника и нанобиотехнологии» представил академик А. Л. Асеев. Он отметил, что в принципе нанотехнологии использовались еще в древности и в средние века, и прокомментировал изображение большого витража на экране: как менялся цвет стекла при добавлении ультрадисперсных частиц металла. И это не единственный пример интуитивного производства наноматериалов с необычными свойствами. А в наше время нанобум начался в 2000-м году. Его инициировал президент США Билл Клинтон, выступивший с «нанотехнологической инициативой» в Конгрессе США.
Докладчик вкратце охарактеризовал американскую нанотехнологическую инициативу и главные цели программы: создание компактных устройств хранения информации (например, библиотека Конгресса США на одном чипе). Кроме того, изготовление высокопрочных материалов, создание наносредств для адресной доставки лекарств к больным органам человека. Для конкретных целей предусмотрены фундаментальные ориентированные исследования в нанонауке и ее технических приложениях.
А. Л. Асеев обратил внимание на различия подходов к решению актуальной научно-технической проблемы: «В России все сделано по-другому. И первое, что было сделано — определена головная организация по нанотехнологиям: ФГУ Российский научный центр «Курчатовский институт».
Интерес к этой области исследований и создания технологий подогревается бизнесом. По прогнозам общемировой рынок нанотехнологий достигнет более триллиона долларов США ежегодно в ближайшие восемь-десять лет. Наиболее активно будет развиваться рынок наноматериалов и наноэлектроники (по равной доле — 350 млн долларов). Но главное в новых областях — фармацевтика. Затем — нанотехнологии на транспорте, производство на новой основе катализаторов и создание нанотехнологий для решения экологических проблем.
Говоря о нанонауке, А. Л. Асеев выделил главное в существующих высказываниях о сущности предмета. Основная мысль — малый размер (от 1 до 100 нм) должен быть существенен для функций квалифицируемого изделия. Если говорить о наноэлектронике, то это прежде всего использование квантовых свойств, эффектов самоорганизации и самосборки наноструктур. Развитие нанобиотехнологий также связано с использованием технологий наноконструирования.
Затем академик А. Л. Асеев отметил инициативы Правительства Российской Федерации в области нанотехнологий. Здесь основное, как он сказал, — Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития нанотехнологического комплекса России на 2007-2012 гг.».
Вторая Федеральная программа предусматривает «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 гг.». Принят также федеральный закон (№ 139 от 19 июня 2007 г.) «О Российской корпорации нанотехнологий». Эти позиции иллюстрировались картой-диаграммой распределения по регионам доли выигравших конкурс заявок от общего их числа в 2007 г. Докладчик назвал суммы, характеризующие внушительную финансовую поддержку программы.
Комментируя инициативы Академии наук, А. Л. Асеев напомнил, что создана комиссия РАН по нанотехнологиям, которая активно работает, и ее результаты будут представлены на Общем собрании Академии наук в Москве.
И, возвращаясь к схеме участия организаций регионов в работах Федеральной целевой программы, А. Л. Асеев сопоставил некоторые факты, связанные с числом заявок, поступивших на конкурс: «Сибирский регион формально выглядит достаточно благополучно, но если посмотреть на цифры, то ситуация не такая благополучная. Выделяется Центральный федеральный округ, который подал около трех тысяч заявок, а Сибирской федеральный округ — шестьсот. А если мы перейдем к финансированию бюджетных контрактов, разница уже не в пять, а в десять раз! Центральный округ получает 7 млрд руб., мы — около 700 млн руб. Такая разница связана с тем, что доля внебюджетного финансирования в Центральном округе превысила 4 млрд руб.»А сибиряки смогли обеспечить внебюджетным финансированием контракты только на сумму приблизительно в 400 млн руб. Понятно, что наличие предприятий, которые могли бы «вкладываться» в поддержку заявок — исключительно важный фактор.
С научной точки зрения и в целях просветительских в Сибирском отделении произошло несколько важный событий. В докладе упоминалась научная сессия Президиума СО РАН «Наука и нанотехнологии» (Новосибирск, декабрь 2006 г.). «Очень важная научная сессия», — подчеркнул А. Л. Асеев. В этом году летом проводился международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология» под председательством лауреатов Нобелевской премии Ж. И. Алферова (Россия) и Л.Есаки (Япония). А в октябре состоялся круглый стол «Нанотехнологии» в рамках симпозиума «Наука и образование в XXI веке».
Редкий случай, констатировал докладчик, мы не испытываем никаких проблем в организации таких крупных мероприятий благодаря спонсорской поддержке фирм мирового уровня и компаний, работающих в области новых технологий.
Финансовую поддержку получили и Центр коллективного пользования «Наноструктуры» — существенный грант Министерства образования и науки. Этот объект сопоставим по значимости с известным Центром синхротронного излучения Института ядерной физики.
В Сибирском отделении фронт работ очень велик. (На сессии были представлены доклады, отражающие разнообразие исследований и конкретных новых технологий.) Пунктирно обозначив размах работ, их связи с Федеральной целевой программой, А. Л. Асеев назвал первые — классические — «прорывные» исследования по детонационному синтезу наноалмазов, нанодисперсным порошкам, нановолокнам, наноструктурированию поверхностных слоев и нанесению наноструктурных покрытий. Эти и другие первые работы находятся на очень высоком уровне, но, кроме биологических (наночастицы и нанокомпозиты для биологии и медицины) и в какой-то степени — по наномеханическим системам и метаматериалам, относятся уже к нанотехнологиям предыдущего поколения.
…На экране многоступенчатая схема проекта «Разработка технологии получения и создание опытных производств нового поколения адсорбционно-каталитических материалов для разделения и очистки природных и техногенных газов и жидкостей». Головная организация — Институт проблем переработки углеводородов СО РАН. «Эта работа Омского научного центра, — подчеркнул А. Л. Асеев, — доведена до практического применения и поддержана государственным контрактом (от 06.08.2007 г.) с бюджетом в сто миллионов рублей». Заметим в скобках, что госконтракт получен в тяжелой конкурсной борьбе.
Далее демонстрировались предметные снимки, отражающие результаты работ в Сибирском отделении и участие его институтов в Федеральной целевой программе. В этой связи наиболее подробно было представлено «дерево» полупроводниковой микро- и наноэлектроники.
 |
|
Корни этого ветвистого дерева — естественные и технические науки: физика, химия, математика, информатика, радиотехника и электроника. И основа — ствол: физика твердого тела, физика полупроводников и диэлектриков, квантовая механика. А ветви и крона показывают, к чему приводят достижения нанотехнологий. Это доступные, дешевые фотоэлементы на основе полупроводниковых структур. Высокоэкономичные источники света на полупроводниковых светодиодах. Системы тотального контроля на элементах нанофотоники. Интеллектуальные энергосберегающие системы в энергетике. «Будет достигнуто резкое уменьшение габаритов и массы телекоммуникационных и локационных систем. Появятся интеллектуальные системы управления транспортом, «умные» дома», — так комментировал А. Л. Асеев. — Центральные ветви дерева — элементная база информационных технологий. Возникнут такие области, как квантовые биты, квантовые компьютеры. Элементы наноэлектроники создаются уже сейчас. Появляется терабитная память, основанная на физических явлениях в наноструктурах». (Разумеется, множество направлений в докладе представлено только выборочно.)
Отвечая на риторический вопрос — чем же оперирует наноэлектроника, А. Л. Асеев сказал — квантовыми эффектами в наноструктурах, и вкратце пояснил их особенности. Это квантовое туннелирование электронов и изменение электронных состояний в так называемых квантовых ямах полупроводниковых наноструктур. Сейчас активно разрабатываются спиновые явления в наноструктурах. Квантовые биты — это квантовые системы с двумя состояниями. В ближайшем будущем начнут использовать «запутанные» квантовые состояния системы из двух частиц. «На самом деле квантовая механика доставит нам еще много практических приложений совершенно неожиданных».
Демонстрировалось также техническое оснащение нанотехнологий в наноэлектронике. Например, промышленно ориентированный комплекс производства гетероэпитаксиальных структур кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Установка полностью разработана и изготовлена в Институте физики полупроводников. И сейчас создано целое поколение подобных машин.
Показателем высокого уровня технологий и качества структур служит тот факт, что когда-то «неуловимый» эффект Холла в высокоподвижном электронном газе квантовой ямы теперь воспроизводят даже студенты старших курсов университета. Известно, что в девяностые годы открытие этого квантового эффекта было отмечено двумя Нобелевскими премиями.
Доклад А. Л. Асеева иллюстрировался убедительными примерами результатов физических экспериментов, имеющих практическое государственное значение. Говоря о так называемой зонной инженерии, А. Л. Асеев назвал адреса сотрудничества ИФП СО РАН. Во-первых, ОАО «Московский завод «Сапфир». Совместная работа института и завода поддержана госконтрактом с соответствующим финансированием. Это проект «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга». И эта работа была поддержана Министерством образования и науки благодаря тому, что ОАО «Российские железные дороги» гарантировали сбыт продукции на полтора млрд руб. Новые системы адаптированы к условиям эксплуатации на всей территории России.
Демонстрировалась еще одна совместная работа с ОАО «Октава» (Новосибирск) и ОАО «Микран» (Томск) — полупроводниковые структуры для высокочастотных полевых транзисторов. Достижением в этой области является компактность и эффективность систем СВЧ-электроники на основе этих транзисторов.
Перечень разработок внушителен. Например, создан самый миниатюрный в мире полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором — источник когерентного излучения. Это совместная работа Института физики полупроводников СО РАН им. А.В. Ржанова, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Технического университета (Берлин). А. Л. Асеев отметил, что все лазерные структуры произведены по разработанной в институте технологии. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических систем со скоростью передачи данных на уровне одного терабита в секунду. Демонстрировались и другие результаты работ, имеющих хорошее будущее.
Наступил момент, когда представлялись результаты работ, проводимых совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины, в которых использовались микроканальные пластинки кремния. На их основе приготовлена пористая структура с характерным размером 10 нанометров. Опять-таки важно, что наноматериалы и вся аппаратура для тонкого биологического эксперимента сделаны в ИФП СО РАН. Комментировалась также работа, находящаяся в стадии проектирования. Проект направлен на создание нанореактора для биологии. Речь идет о наноустройстве для чтения структуры молекул ДНК (эти работы более предметно комментировались в докладе ак. В.В. Власова). Качество работы говорит о том, что проблема вполне решаема.
Говорилось и о необходимости метрологического обеспечения нанотехнологий. Эта работа находится в настоящее время в развитии, получены первые важные результаты.
стр. 4
| 
