Нанотехнологии: мировые тенденции развития
20 декабря 2005
Рубрика: Технологии.
Автор: Ильхом Абдулаев.
pic

В ближайшие несколько десятилетий в производственной, биологической и медицинской сферах должна произойти революция. Причем довольно необычная, по современным обывательским меркам. Мы очень глубоко проникли в технологии. Ведь даже если говорить о сегодняшней ситуации — мы не видим, как течет электрический ток, но уже описали это явление множеством законов. Теперь ученые проникли гораздо глубже и добрались до наномира (одна миллионная доля миллиметра).

Слово «нанотехнология» слышал каждый, кто читает научно-популярные статьи. Но что реально стоит за этим понятием? Каждая научная лаборатория, занимающаяся исследованиями в этой области, могла бы дать свое собственное определение — столь широк фронт исследований в этой области. Однако канонизированное определение все же существует.

Согласно определению Михаила Роко, председателя подкомитета по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям Национального совета по науке и технологии при президенте США, к нанотехнологиям относятся разработки, в которых используются материалы и системы, отвечающие трем условиям:

  • по крайней мере одно из их пространственных измерений не превышает 100 нанометров
  • при их изготовлении используются процессы, в основе которых лежит фундаментальный контроль над физическими и химическими свойствами молекулярных структур
  • они могут быть объединены в более крупные структуры.

Результатом нанотехнологических разработок выступают НЭМСы — наноэлектромеханические системы. С практической точки зрения производство НЭМСов подразделяется на две категории: по нисходящей линии сборки (top-down) и по восходящей (bottom-up).

Нанотехнологии первой категории предполагают первоначальное создание МЭМСов — микроэлектромеханических систем, способных к самовоспроизводству в уменьшенных масштабах. По замыслу, для запуска всего процесса достаточно создать одну самовоспроизводящуюся МЭМ-систему, запрограммированную на производство двух себе подобных систем в масштабе один к двум, то есть в два раза меньше ее самой. Новое поколение МЭМСов создаст уже четыре системы в четыре раза меньше первоначальной и так далее. Таким образом, через тысячу поколений на свет должна появиться уже не микро-, а наносистема, которая будет меньше первоначальной в два в тысячной степени раз.

Практические работы по созданию вышеописанных МЭМСов ведутся в техасской компании «Зайвекс» (Zyvex), которую учредил мультимиллионер Джеймс фон Эр II, сделавший состояние на производстве программного обеспечения. В настоящее время эта компания активно разрабатывает «ассемблеры» — микроэлектромеханические роботы-сборщики. Эти ассемблеры представляют собой произведенные литографическим способом микроскопические захваты-манипуляторы, которые могут собирать более мелкие производственные системы, используя для этого наборы деталей, литографически «вырезанные» на кремниевых ваферах — тончайших срезах полупроводниковых кристаллов (вспомните детские модели самолетов, которые нужно склеивать из пластмассовых деталей, выламываемых из общей рамки). По утверждению фон Эра Второго, нано-ассемблеры появятся через 10-20 лет.

pic

К нанотехнологиям второй категории — по восходящей линии — относится сборка наносистем из отдельных атомов. Отцом-теоретиком этого метода общепризнанно считается футуролог Эрик Дрекслер, автор книги «Машины Созидания: грядущая эра нанотехнологии» (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. K.E. Drexler. Fourth State, 1990), в которой он предсказывает появление в будущем дистанционно управляемых нанороботов (или «наноботов»), способных манипулировать отдельными атомами и таким образом — создавать любое вещество, любые материалы и любые предметы за считанные секунды практически без затрат, буквально из воздуха. Чтобы такие роботы были эффективными, их должно быть очень много: если допустить, что нанобот будет манипулировать миллиардом атомов в секунду, для создания из отдельных атомов 30 граммов заданного вещества одиночному наноботу понадобится 19 миллионов лет. С другой стороны, при тех же темпах работы самовоспроизводящийся нанобот сможет за одну минуту создать миллиард миллиардов себе подобных. Столь огромная армия наноботов будет в состоянии создать за одну секунду 50 килограммов заданного вещества!

pic

Перспективы применения нанотехнологий просто поражают своей безграничностью. Особенно фантастическими кажутся разработки в сфере информационных технологий.

Уже в начале следующего года в свободной продаже должен появиться новый вид памяти NRAM (nonvolatile random-access memory). Это будет первое компьютерное устройство, созданное с использованием нанотехнологий (отдельные части памяти будут размером всего в несколько миллиардных долей метра, то есть в несколько атомов).

Эксперты предрекают, что NRAM произведет революцию в области устройств хранения информации и полностью заменит существующие виды памяти уже к 2007-2008 годам. Характеристики новой памяти кажутся просто фантастическими: использование нанотехнологий позволяет увеличить плотность записи информации почти в 100 раз и скорость обмена информацией — почти во столько же. В результате минимальная емкость новой памяти будет составлять 10 Гбайт. А уже к середине следующего года производители обещают выйти на 50-гигабайтный уровень, что сопоставимо с емкостью жестких дисков современных винчестеров. Используемая сейчас память DDR хотя и появилась всего около года назад, но конкурировать с нанотехнологией она не в состоянии: максимальный объем такой памяти ограничен сейчас 2 Гбайтами, а 10 Гбайт, с которых начинается NRAM, считается технологическим пределом DDR. Такие характеристики позволят наноразработкам очень быстро вытеснить все существующие виды памяти, предрекают эксперты.

Уже сейчас ученые предлагают детальное описание нанокомпьютера. Правда, существует он пока только на бумаге. Но расчеты показали, что в скором времени станет возможным создание ЭВМ размером всего 400х400х400 нанометров. Для сравнения: эритроцит (красная кровяная клетка) будет больше этого компьютера в 10-15 раз. Причем мощность такой машины будет вполне сопоставима с современными компьютерами (чуть более 1 ГГц). Она будет выполнять 1016 операций в секунду, примерно столько же, сколько сейчас выполняет процессор Pentium II. До создания подобного устройства, по оценкам экспертов, осталось не более 5 лет.

pic

Но одной памятью применение нанотехнологий не ограничивается. Наноустройства постепенно выходят из лабораторий. Ведь нанотехнологии могут применяться во всех отраслях: от авиастроения до производства одежды и лекарств. Их использование перевернет представление о возможностях современной промышленности. Материалы, созданные в наномире, по прочности будут в сотни раз превосходить сталь и при этом весить в шесть раз меньше. Прототипы подобных материалов уже существуют, но пока их производство слишком дорого. Однако кое-что уже входит в повседневную жизнь: в Японии уже запущена в промышленное производство гибкая солнечная батарея толщиной в несколько атомов, ею планируется покрывать всю поверхность автомобилей, использовать при производстве одежды и сотовых телефонов. Эти устройства станут полностью энергонезависимыми, получая электричество за счет преобразования солнечной энергии.

Нанонаука, нанотехника и нанотехнология открывают новую эру в фундаментальных исследованиях, объединяя науку, технику и образование. Экономичный выпуск нанопродукции закладывает основы долговременного прогресса человечества. Сама возможность работы на атомарно-молекулярном уровне (с последующей «атомной» сборкой больших структур с принципиально новыми свойствами) создает беспрецедентные возможности для понимания природы этих основных «строительных блоков», а также для управления свойствами разнообразных природных и искусственных продуктов.

pic

Промышленные круги убедились, что нанотехнологии создают новые возможности для развития бизнеса и конкуренции. В соответствии с существующими прогнозами мировой объем производства в области нанотехнологий через 10-15 лет должен превысить 1 трлн. долларов, что приведет к созданию 2 млн. новых рабочих мест.

Во всем мире интерес к исследованиям в области нанотехнологий необычайно высок. Особенно это касается развитых стран. За пятилетний период — с 1997 по 2002 год — объемы государственного финансирования исследований и разработок в области нанотехнологий увеличились примерно в пять раз. Динамику данных расходов можно наглядно увидеть в следующей таблице.

pic

В настоящее время работы в области нанонауки и нанотехнологии не носят характера острой конкуренции (значительная реализация нанотехнологий ожидается лет через десять), вследствие чего на данном этапе наблюдаются партнерские отношения и некоторое «распределение» областей исследования между странами. Для будущего развития нанотехнологий важно уже сейчас организовать международное сотрудничество в финансировании работ, сформулировать долгосрочные цели и приоритеты, создать единую метрологическую систему, разработать общие учебные и социальные программы. Осознавая важность исследований в этой области, более чем в 30 странах приняты национальные программы по развитию нанотехнологий.

pic

На сегодняшний день крупные программы, учитывающие проблемы нанонауки, приняты и поддерживаются правительствами Японии и некоторых европейских стран. Кроме того, некоторые страны поддерживают отдельные нанотехнологические исследования, концентрируют внимание на конкретных задачах и отраслях производства. Например, Южная Корея в ближайшем десятилетии будет тратить 10 млн.долл. в год на разработку чипов для наноэлектронных запоминающих устройств, а Австралия объявила приоритетной областью правительственного финансирования разработку наномасштабных устройств фотоники.

pic

В конце мая 2005 года Европейским Союзом была принята стратегия развития нанотехнологий в ЕС до 2013 года. На развитие этой отрасли из единого европейского бюджета будет выделено 1,3 млрд. евро. А к 2010 году бюджет перспективных разработок в наномире планируется увеличить до 5 млрд.

В США, являющихся лидерами в разработке нанотехнологий, исследования проводятся в рамках утвержденной в январе 2000 года национальной нанотехнической инициативы с годовым финансированием порядка одного миллиарда долларов США.

Из представленного выше видно, что программы разных стран значительно отличаются друг от друга по масштабам, длительности, направленности, степени связи с промышленным производством и практическим целям, однако нанотехнологии в целом развиваются в рамках международного сотрудничества.

pic

Что ожидает человека в будущем, если все нынешние разработки в области нанотехнологии воплотятся в жизнь? Фантасты рисуют грандиозные картины мира, в котором человек будет повелевать материей взмахом техно-подобия волшебной палочки. При этом надо не забывать, что наносистемы давно уже существуют в природе. Элементарная живая клетка представляет собой совершенный микромеханизм, сформировавшийся естественным путем за долгие годы эволюции. Сможет ли искусственная нанотехнология превзойти природную — открытый вопрос, который будет решен в будущем.

pic
Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте