Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Л. Брок и его супруга Диана ведут широкую общественную деятельность. Они основали некоммерческий общественный фонд Community Cousins, выступающий против расовой дискриминации, деятельность которого очень высоко оценил бывший вице-президент США Альберт Гор.

Множество людей на свете имеют идеи. Множество людей умеют управлять и организовывать действия окружающих. Множество людей могут делать самые разные вещи. Но лишь небольшое количество людей, обладающих всеми этими свойствами одновременно, можно назвать предпринимателями. В самом общем смысле, предприниматель – это человек, умеющий не только мечтать и ясно выражать свои мечты, но и способный воплощать их в реальность. Собственно говоря, предпринимателей можно обнаружить в любой сфере человеческой деятельности, ибо именно они занимаются малым бизнесом, организуют огромные промышленные концерны, возглавляют множество общественных, политических и экономических организаций и т. д. Предприниматель любого вида одержим какими-то идеями и видениями, вследствие чего он и старается изменить окружающий мир (неважно, в большом или малом масштабе) таким образом, чтобы он соответствовал его стремлениям. Предприниматель воздействует прежде всего на окружающих, распространяя свои идеи и отстаивая свою точку зрения.

Окружающий нас мир создали и развили предприниматели. Существует множество теорий предпринимательства, а также интересных рассказов и объяснений на эту тему, но мы ограничимся тем, что (в духе модного сейчас экосистемного подхода) попытаемся высказать наиболее общие соображения относительно предпринимательства вообще и предпринимателей в частности. Ниже кратко описывается роль, положение и поведение предпринимателей в обществе. Возможно, это поможет читателям понять, почему предприниматели делают то, что они столь настойчиво делают.

10.1. Биологические аналогии. Львы, тигры и медведи: какую роль играют предприниматели в технической экосистеме?

Известно, что развитие общества и техники происходит в результате очень сложных и противоречивых взаимодействий, связей и циклических процессов, во многом напоминающих взаимозависимые процессы в естественных экологических системах (экосистемах). Сложность таких больших систем объясняется и тем, что их развитие само создает новые связи и циклы. В природе экосистемы представляют собой совокупность большого числа термодинамических, химических и биологических цепочек или циклов, совместное протекание которых обеспечивает существование и развитие жизни на планете. Со временем любая экосистема «стареет» (в локальном, региональном или даже глобальном масштабе), в результате чего исчезают или появляются новые биологические виды и устойчивые популяции живых организмов, между которыми постоянно возникают сложные взаимозависимости.

Примерно так же ведут себя и технологические экосистемы. Циклы, поддерживающие существование такой экосистемы, образуются при взаимодействии людей, технологий, а также информационных и финансовых потоков. Финансы или деньги в этом подходе следует рассматривать в качестве совершенно реального фактора, означающего (в абстрактной форме) просто передачу энергии, эквивалентной некоторой работе или деятельности, между различными отделами или секторами экосистемы. Биологи хорошо знают и широко пользуются представлением о «цепочках питания», описывающих связи между популяциями живых организмов. Систему таких взаимосвязанных цепочек называют иногда сетью или паутиной, чтобы подчеркнуть огромное количество участвующих в ней объектов и связей. В нанотехнологическом сообществе сейчас возникает аналогичная сеть сложных зависимостей, охватывающая пользователей, бизнесменов, торговцев, инвесторов, правительственных чиновников, ученых, участников промышленных форумов, специалистов по стандартизации и т. д.

Каждая из этих популяций, как и полагается по законам биологии, пытается сохранить и распространить себя в рамках единой существующей экосистемы, пользуясь доступными ресурсами на данной стадии развития. Для экосистем характерна постоянная смена популяций в результате эволюции, вследствие чего некоторые популяции размножаются или гибнут, а некоторые – существуют достаточно долго, практически не изменяясь. Иногда причиной гибели популяций могут стать самые различные природные явления или катаклизмы (падение метеорита, мощный лесной пожар, крах фондовой биржи).

Развитие деловых и промышленных предприятий или целых отраслей хорошо описывается биологическим термином «кривые роста». Движение и развитие любой общественной системы или идеи можно образно представить в виде путешествия по горной местности, где мы постепенно преодолеваем «подъем» бурного роста, восходим на «пик» преувеличенных ожиданий, спускаемся в котловину разочарований и по «склону» понимания выходим на «плато» практической реализации и использования. В более широком смысле можно сказать, что любая экосистема такого типа подчиняется общим законам биологического развития, то есть изменение численности каждой из составляющих ее популяций должно описываться одной из двух основных кривых роста: S-образной, соответствующей устойчивому развитию, либо J-образной, соответствующей гибели популяции и ее исчезномению из генофонда. На ранних стадиях развития любая экосистема характеризуется небольшим числом и относительным однообразием составляющих ее видов, их малой инерционностью (биологи обозначают этим термином сопротивление биологических видов возможным изменениям) и высокой «упругостью» (самовосстановление после изменений). По мере старения экосистем их свойства изменяются, и более зрелые экосистемы характеризуются разнообразием видов, ростом инерционности, понижением способности к восстановлению.

В связи с экосистемами интересно отметить, что многие специалисты до сих пор отказываются считать нанотехнологии единой научно-технической дисциплиной и осмысленным общим понятием, полагая, что речь идет скорее просто о некотором наборе разрозненных технологий и продуктов, объединенных случайным образом некоторыми характерными размерами объектов или процессов. Сказанное вовсе не означает недооценки практической полезности и важности нанотехнологий, а отражает сомнения в существовании нанотехнологии в качестве именно единой экосистемы. Причиной этих сомнений является то, что сейчас термин нанотехнология относят к множеству исследований, процессов и продуктов (материалы, медицинские устройства, приборы разного типа, необычные процессы, специализированные инструменты исследования и т. п.). Их трудно объединить с единых научных позиций, поэтому существует опасность, что в дальнейшем не произойдет объединение всех этих разнообразных элементов в единую синергетическую систему.

Говоря об отдельных элементах системы, следует сразу отметить различие в скоростях их развития и внедрения. Например, изучение и промышленное внедрение новых материалов всегда было длительным процессом, поскольку вытеснение с рынка одних веществ и их замена другими представляют собой техническую и финансовую задачу, требующую больших затрат времени и средств. Очень запутанной выглядит перспектива широкого использования весьма модных сейчас медицинских устройств на основе нанотехнологических разработок. Некоторые из предлагаемых аппаратов являются очень дорогими, и их применение ограничивается пока испытаниями и чисто научными достижениями, внедрение которых в широкую медицинскую практику требует огромных капиталовложений. Ученые предлагают сейчас и множество небольших очень ценных устройств, но производителям медицинской техники трудно определить их место на рынке и возможную прибыль от внедрения.

Успешность любого инновационного проекта требует выполнения двух условий. Во-первых, его авторы должны четко определить свои цели и задачи, что может быть оценено с самых разных точек зрения (количество спасенных жизней, улучшение качества жизни вообще, экономическая прибыль, создание новых рынков сбыта). Во-вторых, уровень капиталовложений должен обеспечить выживание фирмы в экосистеме до того момента, когда расширенное производство и получаемая прибыль позволят покрыть начальные расходы на исследования и начать относительно независимое существование. Поэтому на ранних стадиях развития любой инновационной фирме стоит заняться обслуживанием инфраструктуры и материально-технической базы уже существующей развитой и устойчивой экосистемы.

С биологической точки зрения, нанотехнологии первоначально «зародились» в академических и университетских лабораториях, научноисследовательских центрах нескольких крупных корпораций, а также (хотя и в значительно меньшей степени) в малых фирмах, связанных с наукоемким производством. В этих «нишах» постепенно были получены значительные и очень интересные научные результаты, но для дальнейшего развития новой науки потребовались весьма серьезные финансовые и человеческие ресурсы. Оказалось, что техника, приборы и оборудование, необходимые для исследования управления различными свойствами вещества (структурными, электронными, оптическими, магнитными и т. п.) на атомарном уровне, являются крайне сложными и дорогостоящими. Нанотехнологии требовали для дальнейшего развития все больших капиталовложений, которые обеспечивались федеральным бюджетом и средствами, выделяемыми крупными корпорациями на развитие, в результате чего и возникла серьезная проблема финансирования новых и достаточно перспективных исследований.

Разумеется, существуют и источники частного финансирования, но их число, естественно, довольно ограниченно. Частные инвесторы в лице так называемых «бизнес-ангелов» [этот термин раньше применялся к случайным спонсорам музыкальных и театральных постановок, но в последние годы его стали относить также к спонсорам научно-технических разработок. Прим. перев .] или венчурных капиталистов исходя из собственных интересов обычно предъявляют изобретателям или фирмам достаточно жесткие требования:

• наличие энергичной, сильной, разумной и этически правильной команды управления;

• наличие четко определенного и предсказуемого рынка сбыта;

• гарантий достаточно быстрого коммерческого успеха и получения прибылей;

• выработка разумной политики и стратегии в любом случае развития или ликвидации предприятия (то есть при выпуске новых акций, распродажи или необходимости дополнительного финансирования и т. д.).

В настоящее время трудно проверить, насколько достоверны слухи о совершенно немыслимых кредитах, которые исследователи в области нанотехнологий якобы могут получить (или действительно получают) в результате тайных сделок (включая договоры по Интернету) с телекоммуникационными компаниями и фармацевтическими корпорациями. Большинство серьезных инвесторов выжидает, стараясь определить время, когда акции новых фирм и новые товары появятся на рынке с достаточной предсказуемостью.

Разумеется, наиболее правильным путем развития было бы самофинансирование, однако, к сожалению, наноразработки являются дорогостоящими, так что обычно речь идет о миллионах долларов начальных вложений (стоит упомянуть, что еще большие расходы ожидают инвесторов в полупроводниковой промышленности). В этих условиях инвесторы, желающие создавать собственные производства, предпочитают не связываться с самим процессом создания новых технологий и товаров, а просто скупать лицензии и собирать открытую информацию относительно исследований, возможностей и производства аппаратуры.

Нанотехнологическая экосистема очень напоминает модели экосистем, которые уже возникали в обществе при развитии информационных, фармакологических и энергетических систем. Все эти огромные отрасли производства служат примерами того, каким образом нанотехнологии могут «вписаться» (с использованием экологической терминологии) в существующий ландшафт, то есть в «пищевые цепочки» вместе с естественным или регулируемым состоянием окружающей среды, систему капиталовложений, инфраструктуру, модели инновации и развития и т. п. Возможности выживания и роста нанотехнологий (в качестве элемента экосистемы) на всех стадиях развития зависят лишь от способности предпринимателей создавать и заполнять «экологические ниши», разумным образом вписывая новые технические возможности в уже существующие общественные и научно-технические цепочки взаимозависимостей.

Подобно другим отраслям промышленности (рассматриваемым также в качестве элементов экосистемы) новые технологии для развития и распространения должны обладать значительной адаптивностью и гибкостью. Однако следует отметить очень интересное и фундаментальное различие между адаптивностью и гибкостью элементов в естественных (биологических) и техногенных экосистемах. В природе все элементы большой системы (включая «продукты питания» в цепочке) обычно соседствуют друг с другом и их взаимодействие носит свободный и инстинктивный характер, в то время как в технических экосистемах каждый предприниматель волен принимать собственные решения по всем вопросам приспособления, проявления гибкости и стремления к инновациям. Способность самостоятельно делать выбор и «обновлять» характер взаимодействия с окружением является важнейшей особенностью развития индустриальных экосистем, так как именно из-за нее крупные медлительные и консервативные организмы (то есть организации) часто проигрывают более мелким или даже совсем небольшим организмам-организациям. Преимущества малых организаций связаны не с тем, что их руководство более склонно «мечтать» и рисковать, а с тем, что крупным организациям гораздо сложнее перестраивать производство и изменять сложившуюся систему взаимоотношений.

10.2. Сила идеи. Какую идею можно назвать действительно хорошей?

Любое человеческое деяние, включая создание организаций и творчество, начинается с некой идеи. Высказанная вовремя великая идея обладает невероятной мощью и созидательной способностью. Для бизнеса своевременность идеи означает ее удачное сочетание с назревшими или существующими условиями (изменения в экосистеме, потребность в новых продуктах или технологиях и т. д.). В противном случае даже самая блестящая идея рискует остаться всего лишь гениальной догадкой, что неоднократно наблюдалось в истории науки и техники.

Для своего успеха идея должна стать мечтой и найти понимание у людей, которые должны быть восприняты теми людьми, к которым она обращена. Именно в этот момент на «сцене» должен появиться предприниматель, которого можно назвать инициатором действия (или по театральной традиции антерпренером, так как он может развивать как собственную идею, так и заимствовать ее у других). Роль предпринимателя заключается в том, чтобы хоть в некоторой степени представить эту мечту частично возможной (это можно сделать!) и частично реальной (так должно быть!). Для воплощения мечты в реальность предприниматель обычно тратит все время и энергию, но гораздо важнее, что он должен заражать собственной верой окружающих, заставляя их также увлекаться реализацией изначальной идеи. Это качество особенно важно в развитии нанотехнологического бизнеса, многие цели и перспективы которого остаются весьма туманными и отдаленными.

Продолжая разговор о предпринимателях, стоит задуматься о том, каким образом у них возникают сами идеи. Некоторые люди приходят к новым идеям в результате длительных методических размышлений и исследований, другие – на основе неожиданных происшествий, удивительных жизненных событий или того, что раньше называлось откровением или озарением. Удачные идеи, связанные с решением важных практических проблем или созданием очень нужных товаров и объектов, обычно быстро реализуются, а их ценность легко и быстро признается обществом. Однако во многих случаях ценные научно-технические идеи возникают лишь после того, как кто-то из ученых совершенно по-новому воспримет давно известные результаты, сделает из них неожиданные для всех выводы и найдет им прекрасное применение (так получилось, например, с открытием пенициллина).

Идеи можно условно разделить на поддерживающие и разрушительные. Первые из них обычно служат совершенствованию или расширению возможностей уже существующих технологий или продуктов, давно доказавших свою ценность и необходимость, а также имеющих установившийся рынок спроса. Такие идеи способствуют накоплению ценных свойств продуктов, поддерживая и расширяя соответствующие рынки сбыта. Гораздо сложнее обстоит дело с разрушающими (или революционными) идеями, относящимися к совершенно новым товарам или технологиям, которые рынок зачастую не может сразу оценить и воспринять. Разрушительные идеи (особенно на начальной стадии развития) отличаются высокой гибкостью и упругостью, то есть проявляют (в качестве элементов экосистемы) ту неопределенность и неоднозначность функций, которая должна помочь им выжить в уже сложившейся системе сложных взаимоотношений внутри давно сложившейся экосистемы. Интересно, что в этот начальный период развития революционные идеи выглядят малочисленными и разрозненными, но по мере развития успеха и признания становятся гораздо более многочисленными и разнообразными (частично это связано с тем, что к новым идеям адаптируются многие старые элементы системы).

Для развития новых идей (даже самых блестящих и ценных) чрезвычайно важно, чтобы они были удачно спланированы во времени и, более того, попали в «нужное время». Многие прекрасные научные идеи так и осталось нереализованными и «погибли», столкнувшись с проблемами реальной экономики и требований бизнеса. Например, во многих ситуациях важнейшим оказывается фактор времени, необходимого даже не для внедрения новой технологии, а для подготовки квалифицированного персонала. Это обстоятельство может оказаться важным и для нанотехнологий, реализация которых требует серьезной подготовки инженеров и техников на всех уровнях производства. Строго говоря, несмотря на всю популярность нанотехнологий, сейчас лишь очень небольшое число узких специалистов глубоко понимает существующие сложности или может серьезно оценить возможные перспективы их научного, общественного и коммерческого использования. В истории науки много примеров того, как ценные идеи рождались слишком рано и «отторгались» окружавшей их технологической экосистемой, которая оказывалась просто неспособной включить новые идеи и устройства в существовавшие цепочки связей и взаимозависимостей. Другими словами, если экосистема не готова принять новую идею, то идея гибнет или откладывается «в долгий ящик» до тех пор, пока не изменится окружение.

Большинство предпринимателей не придерживаются твердых идеологических убеждений и могут быть отнесены к прагматикам и изобретателям. Такое отношение к общественной жизни легко объясняется тем, что обычно они посвящают все свое время и энергию «пробиванию» своей идеи в жизнь. Деятельность предпринимателей обусловлена, с одной стороны, убежденностью в ценности и полезности предлагаемой идеи для общества в целом, а с другой – желанием возбудить интерес общественности к ее реализации.

10.3. Один человек способен изменить судьбы мира: кем является предприниматель?

Никакая мечта не может существовать абстрактно сама по себе, поскольку она является крайне индивидуальным представлением будущего. Мечта всегда подразумевает существование носителя, то есть конкретного человека, который лично верит в нечто кажущееся другим немыслимым и полагает, что «это возможно!». Мировая литература полна историй жизни великих предпринимателей, каждый из которых добивался своей цели, движимый мечтами, надеждами и упорством. Читатель наверняка знает такие истории, каждая из которых совершенно индивидуальна (как индивидуальны и мечты, заставлявшие предпринимателей действовать!). Рассказы о самых разных великих предприятиях и начинаниях наглядно демонстрируют огромную роль упорства и вдохновения. Объединяющими мотивами этих свершений всегда выступали стремление предпринимателей рисковать и принимать вызовы.

Предпринимателями не рождаются, а становятся – иногда осознанно, чаще непроизвольно. Путь к успеху подразумевает три фазы: обучение, «озарение» и воплощение идеи в жизнь. Обучение у предпринимателей обычно продолжается всю жизнь. Разумеется, получение диплома по экономике всегда полезно, однако история наглядно доказывает, что отсутствие диплома вовсе не является препятствием к успеху. Знание теории и практики бизнеса или технологий помогает в работе, но настоящий предприниматель прежде всего должен развивать в себе и другие (чисто личные и скорее психологические) достоинства, например, внимательно слушать собеседников, вникать в сущность дела, делать быстрые и точные выводы, принимать решения на их основе, завязывать личные связи и т. п. Такие свойства характера вырабатываются обычно в результате длительной практики, при которой предприниматель вырабатывает в себе необходимые для успешной деятельности знания и качества. Обобщая сказанное, можно считать, что предпринимательство требует от человека постоянной подготовки и тренировки для действия в ситуациях, требующих быстроты, сообразительности и смелости.

Помимо обучения «профессиональным» навыкам, предприниматель должен обладать и неким чувством интуиции, «озарения», возникающим в тех случаях, когда он сталкивается с совершенно неожиданными и очень сложными ситуациями или возможностями развития событий. Сложность ситуаций «озарения» в деловой практике объясняется тем, что такие возможности являются обычно опасными, но одновременно весьма перспективными в смысле прибыли. Под термином «озарение» мы подразумеваем решительные моменты в жизни бизнесмена и предпринимателя, когда новая идея настоятельно подсказывает ему резко изменить не только образ мыслей, но и направление всей его деятельности. История любого великого предприятия начинается с этого момента, в котором происходит некая «кристаллизация» всех предыдущих смутных и интуитивных идей, личных убеждений и накопленного опыта.

Говоря проще, после такого «озарения» предприниматель начинает по-другому воспринимать окружающую жизнь и собственную деятельность, подчиняя все овладевшей им идее и возможностям ее реализации. Он старается развить какие-то совсем новые технологии, убедить общественность в необходимости применять и развивать их, добывать деньги для воплощения идеи, искать новую информацию по ее реализации. Овладевшая предпринимателем серьезная и важная идея способна целиком изменить его жизнь, устремления и собственное поведение. Он всеми средствами старается добиться реализации идеи и признания своих заслуг, что, естественно, требует от человека непрерывного психологического самоутверждения.

Реализация «озарения», разумеется, гораздо сложнее ее осознания. На практике любое серьезное начинание требует от человека необычайного напряжения сил и длительной борьбы с множеством возникающих препятствий и неожиданностей. Интересно отметить, что добивающиеся успеха настоящие, прирожденные предприниматели часто находят выход из решения именно там, где другие бизнесмены замечают лишь риск и неопределенность (возможно, это объясняется и тем, что серьезный успех в жизни вообще можно быть достигнут лишь за счет столь же серьезного риска!).

Вообще говоря, оценка риска в какой-либо ситуации не сводится только к рассмотрению объективных показателей, а во многом зависит от отношения к риску конкретного человека, оценивающего ее. В частности, огромную роль играет психологическая настроенность, то есть предпочитает ли человек вспоминать прошлое или смело смотреть в будущее. Люди, избравшие сложную судьбу предпринимателя, обычно предпочитают рисковать и бороться с неопределенностью, тщательно оценивая свои цели, окружение, наличие соперников, а также множество других факторов (от состояния мировой экономики до языковых препятствий), способных повлиять на исход событий. Разумеется, предприниматели прекрасно понимают, что ни один человек не способен полностью оценить все варианты развития или контролировать ситуацию, однако они рискуют принимать решения в неясной обстановке на основе собственного опыта и недостаточной информации. Даже в этих сложных условиях они способны осуществлять плодотворную деятельность, руководствуясь интуицией, принципами и намеченными целями.

Эта ситуация, кстати, весьма привычна для ученых и инженеров, которым очень часто приходится принимать решения, оценивая огромные массивы противоречивых данных. Проблема предпринимателей состоит и в том, что (в отличие от ученых) они рискуют гораздо больше, а недостаток информации может быть связан как с ее отсутствием (как в науке), так и с недоступностью (как в бизнесе). Строго говоря, предпринимателям приходится принимать решения и действовать в гораздо более сложной обстановке (исходя из оценки малодостоверных источников информации, неопределенного мнения специалистов и даже слухов).

10.4. Думать о будущем, анализируя прошлое. Что делают предприниматели?

Любая мечта требует для своей реализации весьма значительных затрат в виде времени, энергии, денег, убежденности и просто интенсивной человеческой деятельности, то есть того, что по-английски называется драйвом. Многим кажется, что для достижения цели достаточно убедить людей в своей правоте, но в действительности для достижения цели требуется также заставить их действовать соответствующим образом. Психологически все люди при оценке собственного состояния и перспектив на будущее могут быть разделены на две группы. Некоторые из них рассматривают будущие события исходя из того, что вообще может произойти (образно говоря, они смотрят в будущее и размышляют только о будущем), а другие – из того, что может случиться, и как это связано именно с ними и их прошлым (они смотрят в будущее, анализируя прошлое).

На первый взгляд кажется, что приведенная выше разница является условной и незначительной, но в действительности эти подходы принципиально отличаются. Люди, относящиеся к первой группе, недооценивают собственный и чужой опыт, то есть ограничивают свои возможности поиска новых путей и решений. Представители второй группы, напротив, постоянно «выискивают» в прошлом и настоящем новые возможности изменить свою судьбу и реализовать свои устремления. Практически взгляд в будущее (с одновременным постоянным анализом прошлого) является характерным для активных и деловых людей, способных реально изменять окружение и добиваться успеха, заслуживающих уважения, помощи и поощрения.

Представители обеих групп способны создать прибыльные и интересные предприятия, но именно те предприниматели, которые настойчиво вглядываются в будущее и размышляют о прошлом, чаще всего создают в своих мечтах (а затем и реализуют) наиболее революционные, действительно прорывные проекты. Каждая новаторская идея означает серьезные изменения в функционировании всей экосистемы, что требует от ее автора смелого воображения и готовности к решительным действиям. Поэт и мечтатель Уильям Блейк уподоблял человека ничтожной песчинке в огромном мире. Продолжая его мысль, можно сказать, что горсть отдельных песчинок, слитая в единое целое, может стать грозным оружием, и роль предпринимателя заключается именно в объединении усилий отдельных людей, создании «камня» из ничтожных песчинок. Подытоживая, можно сказать, что настоящий предприниматель должен обладать следующим набором личных свойств и характеристик:

• иметь развитое воображение, позволяющее воспринимать идеи и строить грандиозные планы;

• уметь объединять людей в творческие «команды» или организации;

• четко определять стоящие перед ним задачи и потребности в разнообразных ресурсах (люди, деньги, информация);

• уметь преодолевать препятствия и быстро находить решения в сложных ситуациях.

Все эти характеристики должны рассматриваться в контексте того набора правил, ценностей и принципов, которыми руководствуется предприниматель в своей деятельности и жизни вообще. Эти наборы, конечно, индивидуальны и отражают конкретный характер руководителя и организатора, из которого и вытекают его взаимоотношения с подчиненными, клиентами, инвесторами и т. п. Кроме того, следует помнить, что разнятся представления людей не только об успехе, но и о том, каким образом может или должен он достигаться. Разумеется, бессмысленно описывать конкретно роль жизненных ценностей и принципов в деятельности предпринимателей, однако существуют некоторые общие характеристики, присущие практически всем настоящим лидерам и инновационным предпринимателям. Например, людям этого типа часто присуща открытость и последовательность в отношениях с окружающими, что позволяет сотрудникам лучше понимать общие цели и задачи, то есть стимулирует их интерес к делам фирмы.

Предприниматель должен постоянно заниматься проблемами своего проекта, тщательно изучая все аспекты реализации планов и множество документов (от самых общих статей в прессе до подробного технического отчета). Создание любой, а не только инновационной фирмы связано с решением множества сложных и ответственных задач, некоторые из которых перечисляются ниже:

• создание новых ценностей в виде технологий, продуктов, услуг и т. п.;

• оценка материальных и нематериальных активов, финансового и стратегического значения новых товаров, услуг и т. п.;

• защита создаваемых ценностей с использованием коммерческой тайны, патентов, авторских прав, торговых знаков, соглашений о сотрудничестве, контрактов и т. п.;

• позиционирование фирмы, а также создаваемых продуктов, услуг, содержания и т. п. в уже существующей технологической экосистеме;

• создание и поддержание разнообразных связей и отношений с заказчиками, персоналом, акционерами, советниками, средствами массовой информации, аналитиками и поставщиками.

Эффективное руководство любой фирмой требует от предпринимателя непрерывной работы по всем указанным вопросам, что означает необходимость ежедневно выслушивать доклады, изучать документы, выносить решения, поддерживать постоянные контакты с нужными людьми и т. д. Эта работа является весьма утомительной и тяжелой, но предприниматели занимаются этим как в силу собственного выбора и врожденных склонностей, так и вследствие того, что такого поведения ждут от них сотрудники фирмы и окружающие.

10.5. Хорошие, плохие или ужасные. Чего следует ждать каждому предпринимателю?

Забота о реализации своих планов обычно не оставляет руководителю инновационного проекта свободного времени. Руководитель, переставший заниматься мучительной работой по реализации своей мечты и потерявший интерес к проекту до его завершения, не может считаться настоящим предпринимателем. Кстати, сказанное вовсе не означает, что предприниматели являются бесчувственными и черствыми людьми. Скорее можно утверждать обратное, так как путь от мечты или проекта к реальному успеху всегда связан с множеством острых переживаний и эмоций. Стоит напомнить, что рабочий день предпринимателя, осуществляющего руководство любым серьезным начинанием, является практически неограниченным и заполнен непрерывными и сложными переговорами, деловыми встречами, проверкой и т. д., особенно на ранних стадиях осуществления проекта. Очень часто такая жизнь продолжается годами, то есть предприниматель с утра до вечера занимается одним большим делом, которое становится для него жизненной задачей и необходимостью. Отдых, работа и семейная жизнь сплетаются в единое целое, и такая маниакальная одержимость целью, естественно, тоже создает сложные проблемы. Иногда предприниматель нуждается просто в психологической поддержке, которую ему может обеспечить любящая и понимающая семья или беседы с человеком, который понимает проблемы фирмы и проекта, но не имеет в них личной заинтересованности.

Понятно, что самая прекрасная и красивая мечта или идея никогда не будет реализована, если предприниматель не сможет объяснить ее окружающим и заинтересовать их ее воплощением. Иногда идея оказывается слишком сложной для объяснения, иногда обгоняет свое время настолько, что общество и существующие условия просто не позволяют ей реализоваться. Создаваемые по новым технологиям товары и услуги могут не найти своих потребителей и т. п.

Необходимость постоянной борьбы за свое детище заставляет руководителя инновационного проекта очень внимательно относиться к проблемам общения и постоянно учитывать «язык», на котором ему следует разговаривать с самыми разными людьми, так или иначе вовлекаемыми в проект. Нельзя забывать, что в раскрутку технологической компании неизбежно вовлекаются люди самых разных классов и профессий (ученые, инженеры, финансисты, продавцы, биржевики и т. д.), обладающие совершенно разными или даже диаметрально противоположными взглядами на жизнь, цели проекта и т. д. Все эти люди по-разному решают поставленные задачи, мыслят и даже говорят фактически на разных языках. Хороший предприниматель прекрасно понимает это, выбирая для каждой аудитории наиболее подходящие язык, доводы и манеру изложения. Разумеется, это не мешает ему иметь собственные взгляды и формы выражения, но предприниматель должен постоянно «подлаживаться» под аудиторию, стараясь добиться ее одобрения и интереса. Кстати, это означает, что предпринимателю (по мере развития проекта и роста числа контактов) приходится непрерывно расширять свой словарный запас.

Понятно, что в большинстве случаев предприниматель не имеет никаких научных знаний или опыта по увлекшей его красивой технической идее, однако предприниматели обычно быстро учатся и впитывают информацию, а также подбирают круг специалистов. Ни один человек не может охватить сложную проблему целиком, вследствие чего одной из сложнейших и важнейших задач любого руководства является правильный подбор работников и создание из них эффективно работающей единой команды.

Сказанное имеет особое значение для развития нанопроектов, в которых менеджер сразу вынужден выбирать между известными специалистами из других областях или «новичками» из нанотехнологических лабораторий. Первые обладают опытом и авторитетом, а молодые ученые – энергией и энтузиазмом. Очень часто решения приходится принимать быстро, в условиях недостаточной информации по важным вопросам, что неизбежно приводит к ошибкам. Мудрость руководителя состоит и в том, чтобы вовремя признать ошибку и принять меры к ее исправлению. К ошибкам настоящий предприниматель относится как к неизбежному злу (без ошибок не было бы никакого прогресса!), а умение вовремя и расчетливо рисковать можно вообще считать высшим проявлением предпринимательского и организаторского таланта. Разумеется, предприниматель должен всегда критически относится к любым статистическим и деловым выкладкам, помня о том, что манипулируя цифровыми показателями, можно доказать все что угодно.

Особо можно отметить огромную разницу в управлении большими и малыми компаниями. Очень крупные фирмы, обладающие большими ресурсами (людскими, финансовыми, техническими) и устойчивой репутацией, представляют собой особые учреждения, так что можно даже говорить о разных мирах, в которых существуют мелкие и крупные компании. Переходы между этими мирами очень редки, хотя и возможны в принципе. Различие между ними тоже носит экологический характер, так как крупные фирмы, благодаря многим обстоятельствам, существуют в более «безопасном» окружении. Крупные фирмы давно «обосновались» в экосистеме, составляют ее неотъемлемую часть и имеют прочные связи, вследствие чего они не озабочены проблемой выживания и могут рисковать (или, если угодно, экспериментировать) в довольно комфортных условиях. Мелкие фирмы, постоянно находящиеся под угрозой быстрой гибели и занимающиеся поиском экологической «ниши» в экосистеме, вынуждены непрерывно маневрировать, в результате чего они часто жертвуют стратегическими интересами развития ради очень кратковременных преимуществ и выплат. С другой стороны, стоит также отметить, что мелкие фирмы (именно благодаря своим небольшим объемам производства и простой системе управления) обладают очень высокой приспособляемостью и гибкостью по отношению к изменению условий и места существования в технологической экосистеме, чего естественно лишены большие и мощные корпорации.

С чисто практической точки зрения, к сожалению, большинство вовлеченных в инновационный бизнес истинных предпринимателей могут рассчитывать (независимо от источника финансирования) лишь на продолжение такой сумбурной и напряженной жизни до конца своих дней. Мечты обычно реализуются лишь в отдаленном будущем. Инновационный бизнес действительно характеризуется высоким уровнем риска, так что многим предпринимателям часто приходится стоять на грани разорения и финансового краха.

Успех любого крупного начинания обеспечивается прежде всего его участниками. Люди очень часто ведут себя непоследовательно и даже нелогично, что хорошо известно ученым и инженерам, связанным с производством. Серьезный предприниматель на протяжении своей жизни получает возможность познакомиться со всем диапазоном человеческого поведения и отношения к работе. На начальном этапе развития, пока фирма остается относительно небольшой, эти различия в психологии не играют существенной роли, однако по мере роста организации предпринимателю приходится все чаще сталкиваться с необычными и удивительными проявлениями человеческой природы.

Для многих предпринимателей и крупных организаторов очень болезненным является момент, когда им приходится передавать часть своих полномочий и право решения другим людям. Со стороны это представляется освобождением от рутинной работы и возможностью заняться более легкими и интересными делами, однако часто бывшему руководителю трудно найти «экологическую нишу» в экосистеме созданной им самим организации и наблюдать за ее дальнейшим развитием.

Воплощая свои мечты в жизнь, предпринимателям часто приходится сталкиваться со скептицизмом, критикой, конфликтами, сюрпризами и ошибками, в результате чего многие из них вырабатывают в себе способность спокойно воспринимать критику и скептические замечания. Они учатся отделять суть сообщения от его формы и иметь дело с фактами, даже самыми неприятными. Они начинают извлекать уроки из своих поражений и находят удовольствие в неожиданных поворотах судьбы. Со временем у большинства предпринимателей вырабатывается твердая уверенность в своих силах и осознание своих реальных возможностей.

Лидерство в простейшей форме сводится к тому, что человек может убедить других людей поступать по-новому. Этому противостоит врожденная инерция человеческой психики и консерватизм, на преодоление которых любой руководитель тратит много времени и энергии. От самого предпринимателя такое поведение требует постоянной готовности к изменениям и гибкости в новых и сложных ситуациях.

10.6. Стоит ли вообще заниматься предпринимательством и инновациями?

Предпринимательством занимается множество людей, но лишь очень немногие добиваются успеха и могут видеть реализованными свои мечты и ожидания. Люди начинают заниматься предпринимательством из самых разных побуждений, например, из любопытства, из желания выразить себя или доказать что-то (себе или окружающим) и просто из стремления разбогатеть. Объединяющим началом можно считать волю к победе и большие надежды, которые возлагает будущий предприниматель на себя и других.

Успешный предприниматель всегда руководствуется мечтой и создает новые организации в соответствии со своим видением будущего экосистемы. Такие люди часто самоотверженно отдаются своему делу и поэтому испытывают какое-то удовольствие от самой атмосферы риска, неопределенности и неоднозначности, всегда соответствующей процессу созидания нового. В процессе создания собственной организации предпринимателю приходится постоянно учиться, быть внимательным слушателем (а иногда и убеждать других людей), гибко реагировать на изменение обстановки и выработать прагматический подход к принятию быстрых решений в сложных ситуациях. Все эти качества можно приобрести только в результате долгой и упорной практической работы, в процессе общения с множеством людей, от которых следует перенимать новые навыки и приемы.

Помимо всего сказанного, настоящему предпринимателю, конечно, должна сопутствовать удача. Невозможно переоценить важность оказаться в нужном месте в нужный момент или встретиться с нужным человеком. Напряженность жизни предпринимателя иногда компенсируется удачными и радостными событиями. Постоянная борьба за реализацию своей мечты, создание команды классных специалистов и победа над соперниками делают жизнь предпринимателя интересной, интенсивной и напряженной. В некоторых случаях могут сбыться все его мечты, и новая компания начнет приносить огромную прибыль.

Предпринимательство предоставляет человеку редкую и ценную возможность реализовывать свои мечты. Несмотря на множество сложностей и препятствий, истинные предприниматели всегда скажут, что их жизнь была очень интересной (независимо от того, насколько удачной оказалась в конечном счете их деловая активность), и они не хотели бы себе другой судьбы.

Глава 11 Большие корпорации. Технология, бизнес и культура «удачи»

Джим Дункан

В компании Meggitt PLC Джим Дункан является руководителем подразделения (Meggitt Aerospace Equuipment, MAE), связанного с разработкой аэрокосмического оборудования, а также известного своими проектами в области аэро– и гидродинамики, материаловедения, связи, разнообразных датчиков и т. п. Он выступает также соучредителем и организатором новых фирм, связанных с инновационными проектами в области высоких технологий, особенно система связи и информационных технологий. В частности, он занимает должность вице-президента в фирме Zone5 Wireless Systems Inc., являющейся инновационным подразделением исследовательского центра известной компании Роквелл (Rockwell Science Center). Он имеет большой опыт организации международных высокотехнологических компаний, а также организации производства и внедрения новых продуктов информационных технологий.

Я могу с уверенностью утверждать, что читатель является либо представителем бизнеса (заинтересовавшимся новой наукой и ее перспективами), либо – научным работником или технологом, решившим ознакомиться с методами инновационного бизнеса. Понятно, что эти люди будут читать книгу и оценивать ее достоинства с совершенно разных позиций и точек зрения. Такое противоречие характерно для всех ситуаций, в которых каким-то образом переплетаются интересы науки и бизнеса, но в случае нанотехнологии взаимное непонимание и недоверие становятся особенно заметными в силу ее новизны и научной специфичности. Нанотехнологии уже являются довольно обширной и развитой областью науки и промышленности, и на коммерческом рынке появилось первое поколение товаров и услуг, произведенных с их использованием. Многие фирмы в спешном порядке готовятся запустить технологические линии по производству множества разнообразных изделий, а другие фирмы столь же энергично разрабатывают новые устройства и процессы, основанные на новейших достижениях нанонауки.

Процесс превращения научных знаний в коммерческие продукты является очень сложным, тем более когда речь идет о новой и бурно развивающейся науке, но автор попробует в основных чертах описать классические закономерности в развитии бизнеса, основанного на научных достижениях или внедрении новых технологий.

11.1. Культура использования возможностей: модели и циклы

Реализации возможностей коммерциализации научно-технических достижений посвящено множество теоретических работ. Разработано немало подходов, основанных как на соображениях научной ценности инновационных процессов, так и на чисто деловых перспективах. Каждый из подходов имеет собственные достоинства и недостатки, но наиболее удачливые проекты обычно осуществляют смешанные команды специалистов, способные одновременно учитывать интересы и науки, и бизнеса.

При создании инновационных компаний очень важно, чтобы структура и стиль управления соответствовали уровню и типу развиваемой технологии. Например, почти не имеет смысла внедрять новые технологические процессы в производство давно известных товаров. Следует помнить, что практическое использование новой технологии всегда остается творческим процессом, требующим гибкого и заинтересованного подхода. Внедрение любого процесса, тщательно изученного и испытанного в научно-исследовательских центрах (финансируемых правительством или крупными корпорациями), в реальное производство связано с множеством трудностей и проблем.

Разговор об отношениях науки и бизнеса можно начать с констатации факта, что лишь очень небольшое число организаций могут позволить себе заниматься чисто научными проблемами, не думая о возможности их дальнейшего коммерческого использования. Основной причиной заинтересованности крупного бизнеса в научных разработках всегда была и остается возможность получить огромные прибыли при коммерциализации какой-либо ценной научной идеи. С точки зрения коммерсанта, естественно, наиболее «блестящими» идеями следует считать те, которые способны приносить наибольшую прибыль. С другой стороны, лишь очень небольшое число бизнесменов в состоянии позволить себе осуществить дорогостоящую проверку научного открытия и довести его до производства успешного коммерческого продукта, не говоря уже о больших затратах на юридическое обеспечение прав возникающей при этом интеллектуальной собственности. Поэтому неудивительно, что между бизнесом и наукой существуют непростые, но тесные отношения.

В среде ученых, инженеров и техников часто ведутся острые дискуссии относительно новых технологий и связанных с ними надежд и опасностей. Ученые склонны предлагать множество самых фантастических вариантов применения своих научных достижений, но, конечно, большая часть таких проектов остается несбыточной мечтой их создателей. Чаще всего при здравом рассуждении исследователи понимают, что реализация предлагаемой интереснейшей идеи слишком сложна и требует дополнительных исследований в малоизученных областях науки и техники. Однако сам процесс поиска сфер применения новых научных результатов очень важен для ученых, так как он развивает воображение и придает дополнительные стимулы для продолжения исследований и развития новых технологий.

С другой стороны, новые технологии постоянно обсуждаются в среде бизнесменов и коммерсантов, каждый из которых мечтает создать новый прибыльный и популярный товар, позволяющий занять достойное место на коммерческом рынке. Поэтому крупные бизнесмены и торговцы стараются следить за научными новинками, а руководители корпораций, озабоченные поддержанием уровня прибыльности своих предприятий и понимающие необходимость обновления ассортимента товаров, постоянно пытаются «уловить» зарождение новых масштабных технологий. Многие научные достижения могут быть доведены до уровня успешного коммерческого продукта, но каждый, кто хоть раз сталкивался с внедрением научно-технических идей, знает, насколько сложным и «капризным» является этот процесс.

Прежде всего, следует помнить, что он состоит из двух весьма разных стадий, а именно – научно-технической идеи и коммерческого проекта. Первая часть также легко раскладывается на чисто научную стадию исследований и инженерно-технологические разработки. Наука, строго говоря, подразумевает лишь изучение законов окружающего нас мира специфическими научными методами (наблюдение, построение гипотез, проведение испытаний), а технология – применение полученных научных знаний для создания новых инструментов, техники, материалов или систем.

Коммерческий проект можно также разделить на части, соответствующие поиску применения, созданию требуемого продукта и собственно коммерции или маркетингу. На первой фазе бизнесмен обязан выяснить, для производства каких новых продуктов или удовлетворения каких потребностей заказчиков может использоваться предлагаемая научно-техническая идея. Новые изделия или услуги представляют собой товар (в широком смысле слова), для которого система маркетинга должна найти или создать потребителей.

Легко заметить, что научная и коммерческая часть внедрения существенно отличаются по общему подходу, задачам и методам их решения. Образно говоря, эти части не только относятся к разным культурам общения и поведения, но и разделены пропастью, или «проливом», взаимного непонимания и разного восприятия мира. Ученые и инженеры привыкли верить в научные теории и могущество научного подхода, то есть считают, что жизнь и их конкретное начинание управляются какими-то высшими законами и истинами. С другой стороны, вполне разумные коммерсанты все же привыкли жить в соответствии с весьма жесткими и строгими законами бизнеса, в которых, кстати, всегда находится место и для могущественных сил рынка и для счастливых случайностей. Именно силы рынка определяют истинную ценность создаваемых наукой возможностей развития бизнеса.

Чаще всего научная и коммерческая деятельность вообще развивается в совершенно разных сообществах и организациях. Лишь очень крупные компании могут позволить себе содержать собственные научноисследовательские отделы, а большинство фирм и компаний получают научную и техническую информацию из внешних источников, оставаясь далекими от академических учреждений. В этом и заключается пропасть между двумя «культурами», обусловленная не только языковым барьером, но и значительной разницей в формулировке и целей, и самих критериев успеха или неудачи. При этом трудно даже определить, на какой стороне «пролива» люди испытывают больший дискомфорт от этого разрыва целей и средств. Ниже автор пытается сформулировать проблему исходя из научно-технического отношения к процессу внедрения в целом.

Построение «моста через пролив» означает в рассматриваемом случае создание технологии, производящей реальные продукты. Другими словами, ученые и бизнесмены одинаково заинтересованы в сотрудничестве, так как ни одна сторона не способна решить задачу самостоятельно. Технология должна служить бизнесу, но бизнес должен «уважать» технологию и способствовать ее росту. Коммерсанты должны осознать, насколько важную роль играют наука и технология в конкурентной борьбе, понять ценность обладания серьезной интеллектуальной собственностью и перестать считать только чистую прибыль реальным мерилом успеха своей деятельности.

Дальновидные и инициативные руководители научных и коммерческих организаций должны приложить все силы к тому, чтобы преодолеть разделяющие их границы, обеспечить взаимную поддержку и даже научиться вдохновлять друг друга.

11.2. Поиски чаши святого Грааля

Можно сказать, что самым замечательным открытием стал бы метод превращения новых научных знаний в полноценные коммерческие продукты, особенно в больших масштабах. Поиски методов такого превращения давно ведутся как со стороны науки, так и со стороны бизнеса, потому что обе стороны понимают, насколько полезным и плодотворным может быть их сотрудничество. Обычно ученые и технологи, обращающиеся к коммерсантам за помощью, ожидают, что руководство фирмы (убедившись в ценности и реализуемости предлагаемой научной идеи) легко и охотно поможет разработчикам провести сложный этап доведения идеи до производства конкретных продуктов. С другой стороны, бизнесмены обычно ожидают, что технологи предложат им практически готовый продукт, который следует только правильно выставить на рынок и продать с изрядной прибылью. На самом деле практически никогда ситуация не выглядит столь простой и ясной.

Возможно, сотрудничество между наукой и бизнесом стало бы значительно более эффективным, если бы заинтересованные стороны лучше понимали потребности и «культурные» правила друг друга. Например, технологам следовало бы внимательнее относиться к насущным проблемам и специфическим требованиям деловой жизни фирм, а бизнесменам – более серьезно относиться к неожиданным предложениям об изменениях и объединениях технологий. Общий успех определяется в конечном счете правильностью выбранной стратегии, которая должна быть гибкой и учитывать возможные изменения требований и обстановки в целом. Такого результата может добиться лишь междисциплинарная команда из энергичных, творчески мыслящих специалистов, обладающих помимо прочих достоинств организаторским талантом. Доказательством верности избранной стратегии в инновационных проектах может служить лишь успех, то есть реальное «преобразование» ценного лабораторного результата в технологию, производящую коммерчески необходимый продукт. Не стоит и упоминать, что такая сложная задача может быть решена только при тщательно организованной и согласованной работе всей команды, что требует от менеджеров проекта особого мастерства и терпения. Умение подобрать команду классных специалистов, внутри которой царит дух уважения и сотрудничества, можно считать одним из важнейших условий успеха.

Особо отметим, что «культура» внедрения научных достижений зависит лишь от правильности действий и удачно подобранной команды, а не от того, какая организация (научная или коммерческая) осуществляет общее руководство. Основная проблема в любом инновационном проекте сводится к тому, каким образом должны быть согласованы многочисленные действия и операции, приводящие к возникновению «зрелой» технологии. Особенно большие сложности, естественно, должны возникать при создании совершенно нестандартных технологий, характерных именно для нанонауки. В этом случае процесс создания новых технологий почти всегда сопровождается многочисленными ошибками, переоценками и заблуждениями, которые иногда приводят к полному провалу интересных проектов. С другой стороны, успех в решении именно таких сложных задач демонстрирует высокое организаторское искусство руководителя или предпринимателя, возглавляющего проект.

Профессионалы, входящие в руководящую группу проекта, должны удовлетворять общим и специальным требованиям, обычно предъявляемым к высшим менеджерам практически в любой важной отрасли науки или технологии. Приступая к реализации инновационного проекта, связанного с внедрением новейших технологий, следует проверить, насколько члены команды (и команда в целом) удовлетворяют следующим восьми признакам успешного менеджмента:

• Уверенность в успехе. Уверенность в успехе возникает лишь в результате длительной практической деятельности, высокой квалификации и большого опыта, что позволяет специалисту лично принимать важные решения в сложных ситуациях, избегая излишне рискованных или безрассудных действий.

• Сосредоточенность. Сосредоточенность означает постоянное стремление к достижению конечного результата.

• Самостоятельность. Под этим подразумевается способность работника действовать и даже добиваться больших успехов без связи с организационной инфраструктурой, то есть самостоятельно и независимо преодолевать препятствия и находить нестандартные, творческие решения при возникновении непредвиденных проблем.

• Приспособляемость, или адаптивность. Это важное свойство означает способность персонала к активному обучению, анализу и оценке ситуаций, принятию решений и т. д.

• Эмоциональная и психическая устойчивость. Каждый член команды в процессе работы подвергается эмоциональным стрессам, вызываемым разными психологическими причинами (страх, гнев, глубокое разочарование, возбуждение), но должен сохранять в таких ситуациях спокойствие и принимать уравновешенные решения.

• Проницательность. В рассматриваемых задачах проницательностью можно считать просто способность выявлять основные и важные для решения общей задачи факторы возникающих ситуаций и отсеивать резкие и фантастические решения.

• Смелость и уверенность. Жизнь и предпринимательство постоянно ставят перед членами команды сложные задачи, и они должны уметь преодолевать возникающие проблемы быстро и эффективно.

• Мотивация действий. Все члены команды управления проектом должны быть настроены на успех, выполнение поставленных перед ними задач и продолжение деятельности.

Культура взаимодействия бизнеса и науки (ее можно назвать также техникой «выращивания» новых возможностей вообще) включает в себя разные аспекты и должна одновременно учитывать особенности научной деятельности, человеческой психологии и бизнеса. Достижение равновесия в этих сложных отношениях позволяет построить хрупкий мост между научными исследованиями и коммерческой деятельностью.

Глава 12 Развитие нанотехнологий в федеральных лабораториях США

Мейя Мейяппан

Мейя Мейяппан является директором Центра нанотехнологий и старшим научным сотрудником в Центре НАСА имени Эймса (см. сайт http://www.ipt.arc.nasa.gov ), а также одним из руководителей межотраслевой Рабочей группы по нанотехнологиям (IWGN), координирующей в рамках Национальной нанотехнологической инициативы США. [Подробнее с деятельностью рабочей группы IWGN можно ознакомиться в книге «Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований». М., Мир, 2002. Прим. перев.] Он является весьма известным специалистом в области наномеханики и наноэлектроники, одним из главных руководителей Нанотехнологической инициативы США, видным лектором и организатором научных проектов. Особо можно отметить, что Мейя Мейяппан является представителем президента в Совете по нанотехнологиям, а в 2004 году был награжден президентом США почетной медалью за свою деятельность в развитии нанотехнологий.

Из федеральных национальных лабораторий США, играющих важную роль в развитии нанотехнологий, следует особо отметить Центр имени Эймса (НАСА), Исследовательскую лабораторию военно-морского флота США, военно-исследовательские лаборатории Армии США, Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST). Нанотехнологиями занимается также целая сеть национальных лабораторий, принадлежащая Министерству энергетики (Department of Energy, DOE), отвечающему в США за все вопросы, относящиеся к атомному оружию и атомной энергетике. Естественно, проводимые в них исследования непосредственно связаны с нуждами управляющих ведомств.

Например, в лабораториях НАСА давно велись научно-технические разработки миниатюрных датчиков и устройств с низким уровнем энергопотребления, предназначенных для разнообразных космических аппаратов. Для многих проектов специалистам пришлось решать специфические задачи (создание устойчивой к радиации электронной аппаратуры и т. д.), которые требовали изучения структуры вещества в нанометровом диапазоне. Особую важность для космонавтики нанотехнология приобрела в последние годы в связи с популярной сейчас программой создания микроспутников (к этому классу относят спутники весом менее 10 килограмм). Дальнейшее развитие космической техники неизбежно связано с уменьшением размеров и веса космических аппаратов, что потребует создания легких и прочных наноматериалов, разработки разнообразных датчиков для исследования небесных тел и т. п.

Военно-исследовательские лаборатории Министерства обороны осуществляют крупномасштабные разработки в нескольких направлениях. Прежде всего, можно выделить интенсивную разработку разнообразных высокочувствительных датчиков для регистрации наличия химического, биологического и ядерного оружия. С другой стороны, безусловный интерес специалистов Министерства обороны вызывают революционные изменения в целом ряде наук (электроника, оптоэлектроника, фотоника), имеющих прямое отношение к процессам сбора, обработки и передачи информации. Эти открытия позволят уже в ближайшем будущем значительно снизить вес индивидуальных средств связи без снижения функциональных возможностей. Министерство энергетики США не только продолжает работы в области энергетики, ядерной физики и т. д., но и активно создает национальную инфраструктуру нанотехнологических исследований. Сегодня в США работают пять крупных региональных центров поддержки наноразработок, обеспечивающие пользователей базовой аппаратурой и т. д.

12.1. Роль и значение федеральных лабораторий

В настоящее время основные федеральные ведомства (и соответственно подчиненные им лаборатории) включены в программу действий Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) и принимают активное участие в разнообразных исследованиях в рамках этой инициативы, включая разработку материалов для энергетики, метрологию, наноэлектронику, химию, медицинское оборудование, космические проекты и т. п. Помимо этого, федеральные ведомства поддерживают академические исследования развитой системой грантов и контрактов, включая две крупные программы поддержки инновационных исследований для малого бизнеса (Small Business Innovation Research, SBIR) и передачи технологий малому бизнесу (Small Business Technology Transfer, STTR). Все эти мероприятия часто способствуют собственным разработкам национальных лабораторий.

Естественно, федеральные лаборатории создают новые устройства, процессы или даже целые технологии исходя из заказов и потребностей руководящих ими ведомств, однако эти результаты часто находят и чисто коммерческое применение. Исторически сложилась ситуация, при которой национальные лаборатории являются богатым источником идей и возможностей внедрения для частного сектора экономики США, доказательством чего могут служить сотни проектов успешного коммерческого освоения передаваемых разработок. За последние сорок лет особенно успешной представляется передача технологий в частный сектор из лабораторий НАСА. Известно, например, что сложные и высокоэффективные устройства, использованные астронавтами при бурении поверхности Луны, позднее стали широко применяться в гражданских целях. Передаваемые технологии могут относиться как к очень простым бытовым товарам, так и к сложным или специальным. Фирма Wilson Sporting Goods, торгующая спортивным инвентарем, успешно применила технологию изготовления баков для космических кораблей типа «Шаттл» в производстве мячей для гольфа с улучшенной поверхностью (благодаря «научному» расположению выпуклостей такие мячи пролетают большее расстояние), а технология создания термостойкого покрытия «Шаттлов» сейчас используется в производстве гоночных автомобилей. Широко применяемые в быту датчики сигаретного дыма были разработаны для программы Скайлэб и т. д. Из последних событий этого рода стоит отметить разработанную в лабораториях Министерства энергетики сложнейшую технологию получения так называемой «искусственной паутины» из алмазных нанокристаллических пленок, которую начала выпускать новая фирма, производящая наноматериалы специального назначения.

Федеральные лаборатории очень редко сами занимаются «раскруткой» созданных ими коммерческих продуктов, и, по-видимому, эта тенденция сохранится и в отношении нанотехнологий. Обычно результаты разработок посредством хорошо налаженного механизма передачи технологий поступают в коммерческий сектор экономики. Например, в НАСА лицензированием новых технологий занимается специальный Отдел технологического партнерства (Office of Technology Partnership). Помимо этого, НАСА издает специальный ежемесячник NASA Tech Briefs, в котором ведомство само предлагает и описывает инновационные разработки, готовые к лицензированию и продаже.

В настоящее время НАСА создало по стране сеть центров передачи технологий, нацеленных на использование конкретных проектов для развития промышленности в конкретных регионах. В таких центрах регулярно проводятся научно-технические и практические конференции с участием представителей НАСА, занимающихся инновациями.

В качестве наглядного примера передачи важных технологий можно отметить работу одной из нанотехнологических лабораторий в Центре имени Эймса (НАСА), которая ведет очень широкие исследования в области материаловедения (углеродные нанотрубки, неорганические нанопроволоки, проводящие органические молекулы и белковые нанотрубки). Область применения таких материалов потенциально охватывает множество отраслей науки и промышленности: наноэлектроника, вычислительная техника, запоминающие устройства, наноразмерные лазеры, химические и биологические датчики, детекторы УФ– и ИК-излучения. Новые материалы также найдут множество применений в системах жизнеобеспечения космонавтов, включая переработку отходов, очистку воды и воздуха, контроль состояния организма и т. п. Разумеется, многие из этих материалов могут быть использованы в создании ценных коммерческих продуктов. Ниже рассказывается о практических методах передачи технологий.

12.2. Передача технологий

Исследовательский Центр имени Эймса уже имеет обширный портфель прав на интеллектуальную собственность в этой области, причем лицензии на некоторые технологии продаются частным компаниям. Например, одна инновационная компания (старт-ап) купила технологию, позволяющую применять углеродные нанотрубки для охлаждения электронных чипов, и сейчас производит популярные коммерческие товары, созданные на этой основе. В настоящее время ведутся переговоры о лицензировании биодатчиков, генетических чипов и некоторых типов химических детекторов. Стоит отметить, что сотрудники нанотехнологической лаборатории Центра имени Эймса сами организовали компании, занимающиеся передачей технологий.

Методы передачи технологий уже отработаны. Отдел технологического партнерства Центра имени Эймса регуярно проводит однодневные семинары, на которых рассказывается о разрабатываемых или готовых технологиях. Кроме того, организаторы семинаров постоянно информируют представителей бизнеса и промышленности не только о собственных разработках и мероприятиях, но и о встречах в других исследовательских центрах НАСА, центрах регионального развития, конференциях, симпозиумах и т. д.

Помимо регулярных встреч и хорошо организованной информационной работы, Центр имени Эймса развил еще одну форму сотрудничества с заинтересованными в передаче технологий компаниями, называемую Соглашением (SAA – Space Act Agreement). Этот юридический документ представляет собой типовое соглашение о сотрудничестве между двумя сторонами в разработке какого-либо продукта или процесса. Важным достоинством SAA является то, что в нем четко оговорены права и обязанности сторон при коммерциализации и маркетинге продукта. Центр имени Эймса уже заключил несколько таких важных соглашений и продолжает поиск партнеров.

Министерство обороны разработало несколько собственных механизмов передачи технологии. Дело в том, что лаборатории этого министерства не стремятся к коммерциализации результатов своей деятельности, а руководствуются принципом решения конкретных проблем, которые возникают перед военными ведомствами и отдельными родами войск. Армейские службы выявляют проблемы, сложности и задачи, которые возникали перед военными при выполнении своих обязанностей и боевых заданий, и на этой основе составляют списки приоритетных потребностей соответствующих родов войск и передают их армейским научно-исследовательским лабораториям для поиска решений. После рассмотрения задач руководство лаборатории обычно сообщает (устно или письменно) о возможностях их решения и требуемых для этого ресурсах (например, финансирования). Окончательное решение о начале разработки принимается с учетом важности поставленной задачи.

Помимо этого, для проведения дополнительных исследований и оценки научной ценности результатов армейские научно-исследовательские лаборатории могут заключать соглашения о сотрудничестве с внешними компаниями, университетами или другими учреждениями в рамках так называемого Соглашения о совместных исследованиях (Cooperative Research and Development Agreement, CRADA). Такая практика помогает лабораториям одновременно сберегать финансовые средства и получать квалифицированную научную помощь или экспертную оценку. В тех случаях, когда развитие проекта доходит до стадии изготовления прототипа, лаборатория может рассчитывать на дополнительное финансирование исследований из других источников Министерства обороны или по вспомогательным программам (например, материаловедческие разработки могут финансироваться за счет проектов создания истребителя F-22 или спутников системы глобального позиционирования). Армейские исследовательские лаборатории редко занимаются «раскруткой» коммерческих фирм, однако Министерство обороны, подобно другим ведомствам, осуществляет значительные по масштабу программы коммерциализации и лицензирования получаемых научных результатов.

Министерство энергетики содержит центры по нанотехнологическим исследованиям (Nanoscale Science Research Centers, NSRC), которые проводят регулярные встречи между специалистами из разных организаций, а также постоянно информируют пользователей о возможностях приборов и контрольно-измерительной аппаратуры, предоставляемой этими центрами. Исследователи, согласившиеся публиковать результаты исследований в открытой печати, получают приборы, материалы и техническое обслуживание бесплатно, а те, кто желает сохранить права на полученную информацию, оплачивают только прямые расходы центра на их обслуживание.

12.3. Заключение

Во многих федеральных лабораториях активно осуществляются значительные научно-исследовательские программы, связанные с нанотехнологиями. Лаборатории проводят такие исследования исходя из краткосрочных или перспективных задач руководящих ими ведомств, однако многие результаты могут быть внедрены в производство, вследствие чего почти все лаборатории уже выработали собственные программы и процедуры коммерциализации и передачи технологий в промышленность. Подобно университетам, национальные лаборатории являются одним из важнейших источником получения интеллектуальной собственности в области нанотехнологий.

Раздел III Материалы и производство

Глава 13 Наноматериалы

13.1. Общее введение и содержание

Марк Рид

Марк Рид получил ученую степень по физике в Сиракузском университете (1983), после чего поступил на работу в фирму Texas Instruments, где возглавил научные исследования в области нанотехнологий. Областью его научных интересов стал электронный перенос в нано– и мезоскопических системах и сложных молекулах, структурированные материалы и наноустройства, квантовые эффекты и т. д. Он автор 6 книг и более 150 научных публикаций по указанным темам, а также является обладателем 24 американских и зарубежных патентов по квантовым явлениям, гетеропереходам в полупроводниках и молекулярным устройствам. Является известным лектором и популяризатором идей нанотехнологии. М. Рид получил множество престижных премий и наград, является членом Американского физического общества.

В основе каждой достаточно развитой системы технологий лежат общие представления о методах их обработки. Нанотехнологии не составляют исключения, и мы должны начать с их классификации. Существует много методов описания и деления технологий, но даже простейшая схема содержит три уровня: (1) материалы, (2) проектирование и изготовление, (3) интеграция, или объединение. Стоит отметить, однако, что в некоторых сложных нанотехнологиях переход от первой стадии к двум следующим очень трудно сформулировать. С другой стороны, наука и технология, связанные с наноматериалами, пока находятся в стадии становления, а некоторые специалисты полагают, что нанонаука вообще сводится к материаловедению на определенном уровне масштабов.

Наиболее важное отличие наноматериаловедения от классических наук (химия, физика и т. п.) действительно заключается в пространственновременных масштабах процессов, которые новая наука и технология пытаются регулировать или действительно регулируют. Вот уже более ста лет классические науки занимаются изучением явлений на атомарном уровне, а наноматериаловедение вдруг предоставило нам возможность не столько изучать, сколько самим создавать и осуществлять такие явления, лежащие за гранью привычной для ученых стохастической теории.

Некоторые специалисты даже предлагают считать новую науку разновидностью инженерного или художественного творчества в общем смысле, поскольку в ней вместо изучения некоторых объектов мы начинаем сами создавать совершенно новые объекты на беспрецедентном для науки и искусства уровне возможностей. О некоторых таких попытках рассказывается в данной главе.

Одним из наиболее неожиданных и оригинальных направлений нанонауки считается изготовление и изучение наночастиц из разных материалов, но стоит заметить, что в действительности человечество неосознанно использовало такие частицы еще с древности. Занимаясь строением и синтезом частиц вещества на атомарном уровне, ученые во многих странах научились изготовлять поразительные физические объекты типа квантовых точек со структурой «ядро – оболочка». Наночастицы почти сразу нашли применение в медицине и биологии (диагностика, изучение токсичности веществ, исследования функциональности тканей организма и т. п.).

В последние годы визитной карточкой (или, если угодно, рекламным щитом) нанотехнологий стали углеродные нанотрубки, представляющие собой как бы листы или плоскости из атомов углерода, свернутые в практически идеальные цилиндры диаметром около нанометра и длиной в несколько микрометров. Ученых сейчас больше всего интригует то, что электронные свойства таких структур очень сильно зависят от размеров и направления «закрутки» цилиндров. Эти свойства у углеродных структур могут открыть перед проектировщиками электронных устройств огромные возможности, если ученые научаться их регулировать или, наоборот, создать массу осложнений пока эту проблему зависимости не удастся решить. В настоящее время многие исследователи тщательно изучают открывшиеся перед ними удивительные электрические, термофизические и структурные характеристики так называемых одностенных углеродных нанотрубок (single-walled nanotube, SWNT). Проблема состоит не только в самих закономерностях, но и в их связи с условиями синтеза, а также практическим использованием новых веществ в разных целях.

В самое последнее время все больший интерес ученых, инженеров и производственников привлекают неорганические полупроводниковые нанопроволоки, так как обнаружилось, что их электронными свойствами управлять значительно легче, чем характеристиками углеродных трубок. Собственно говоря, такие монокристаллические игольчатые объекты с толщиной десятые доли нанометра (следуя традиции, их называют нановискерами) были известны еще с начала 1990-х годов, но интерес к ним возродился после того, как появились разнообразные методы их синтеза. Кроме того, обнаружилось, что нанопроволоки могут быть изготовлены из множества неорганических материалов, что, естественно, значительно расширяет возможности создания новых устройств на их основе. Пока реальные успехи таких разработок весьма незначительны (хотя и очень интересны!), но это направление, которое можно назвать функциональным наноматериаловедением, считается одним из самых перспективных в нанотехнологии.

Наконец, в конце главы читатель найдет информацию о материалах, которые не относятся собственно к нанометрическим, но чрезвычайно важны для развития отрасли в целом. Дело в том, что множество интереснейших сфер применения нанотехнологии (особенно при создании биомедицинских устройств, датчиков и т. д.) настоятельно требует от ученых и инженеров создания так называемых интерфейсов (переходных структур), соединяющих наноматериалы или нанообъекты с микроскопическими устройствами или тканями. Обеспечение требуемого контакта в таких соединениях неожиданно оказалось очень непростой научно-технической задачей, для решения которой необходимо не только синтезировать новые вещества с нестандартными характеристиками, но и тщательно изучить их особенности и возможности для применения в совершенно необычных ситуациях, не имеющих аналогов в истории науки и техники. Сложность и нестандартность таких задач читатель может оценить сам, задумавшись, например, о возможностях обеспечения надежных контактов мономолекулярных структур (играющих роль переключателей в электронной схеме) с подложкой из полимерных или гибридных материалов. Подобные проблемы все чаще возникают при попытках создания прототипов инженерных устройств на основе наноструктур.

Материаловедение переживает сложный этап развития, и специалистам предстоит еще многому научиться, прежде чем они реально смогут управлять свойствами материалов на атомарном уровне и использовать эти свойства. Решение поставленных задач может быть получено лишь на основе комбинированного подхода, сочетающего новые методы синтеза, новые методы описания материалов и разработку новых теоретических механизмов физико-химических процессов (включая флуктуации) на атомарном уровне. Сложность поставленных задач соответствует революционным изменениям, которые нанонаука и наноматериаловедение могут внести в нашу жизнь.

13.2. Наночастицы

Шерил Эрман Шерил Эрман является выдающимся специалистом по химическому синтезу и проектированию материалов в области нанотехнологий. Область ее научных интересов относится к получению и использованию самых разнообразных наночастиц в новейших нанотехнологиях (включая термодинамику их образования, изучение процессов переноса, образование кристаллов льда и т. п.). В настоящее время она работает профессором в Мэрилендском университете и занимается исследованием образования наночастиц и возможностей их взаимодействия.

В последнее время исследователи все чаще проявляют интерес к изготовлению и изучению свойств наночастиц (частиц с диаметром менее 100 нм). Эти объекты обещают стать основой реального внедрения новых технологий, вследствие чего их производство уже сейчас стало важным и неотъемлемым сектором возникающего рынка коммерческих нанопродуктов. Как выяснили историки науки, частицы нанометрового размера использовались (разумеется, без всякого научного обоснования) еще в глубокой древности, и, например, прославленная окраска древнеримских стеклянных ваз объясняется присутствием в стекле нанокластеров атомов золота [55] . В качестве современного примера использования наночастиц можно указать на угольную сажу, добавляемую в автомобильные покрышки для повышения их прочности и износостойкости. Масштабы коммерческого производства сажи для этих целей весьма внушительны: в 2000 году годовой объем ее выпуска составлял 6 миллионов тонн [56] . Интерес к наночастицам диктуется тем, что при высокой степени измельчения существенно изменяются физико-химические свойства (механические, оптические, магнитные и т. д.) практически всех веществ. Кроме того, размеры наночастиц позволяют им вступать в прямой контакт на молекулярном уровне с биологическими тканями и системами, осуществляя необходимое взаимодействие.

На рис. 13.1 изображены стандартных наночастиц, из которых (для наглядности) сформирована более крупная частица микронного размера.

Рис. 13.1. Частица TiO2 микронного размера, сформированная из наночастиц (микрофотография предоставлена фирмой Altair Nanotechnologies, Inc.)

13.2.1. Применение наночастиц

Многие читатели наверняка помнят, что еще несколько лет назад крем от загара представлял собой непрозрачную молочно-белую мазь, цвет которой объяснялся наличием в ней микронных частиц окиси цинка, которые и поглощали вредную для кожи ультрафиолетовую часть солнечного излучения. В настоящее время производятся прозрачные кремы, гораздо более удобные и привлекательные для потребителей. Коммерческий успех новых косметических препаратов объясняется тем, что в их состав входят частицы той же окиси цинка, но измельченные до нанометрических размеров. Такие частицы по-прежнему пропускают большую часть солнечного света, но сохраняют способность поглощать опасные волны УФ-области спектра. Позднее для этих же целей стали использоваться наночастицы другого известного белого красителя (двуокиси титана), то есть простая замена микронных частиц на нанометрические позволила создать новый и весьма успешный коммерческий продукт в косметической промышленности [57] .

Изменение свойств частиц двуокиси титана позволило им найти еще одно важное техническое применение при так называемой сенсибилизации красителем рабочего вещества солнечных батарей. Эффективность преобразования света такими батареями определяется в первую очередь способностью частиц вещества поглощать солнечное излучение. Обнаружилось, что наночастицы двуокиси титана благодаря своей очень большой суммарной площади поглощают свет в тысячи раз (!) сильнее обычных, объемных кристаллов того же состава [58] , не говоря уже о том, что солнечные батареи с сенсибилизацией красителем оказались намного дешевле в производстве, чем известные фотоэлектрические устройства на основе кремния. Сейчас наноматериалы такого типа все шире используются в промышленности, доказательством чего стала организация их промышленного выпуска в Австралии (2001 год) [59] .

Еще один очень важный коммерческий рынок наночастиц связан с полупроводниковой техникой. Речь идет о процессе так называемой химикомеханической планаризации (chemical mechanical planarization, CMP) в производстве чипов (микросхем), когда на поверхность обрабатываемой пластины в нескольких точках наносятся требуемые компоненты, которые затем «размазываются» по этой поверхности ровным слоем с почти атомарной точностью. Обработка большой по размерам (до 300 мм) кристаллической поверхности с такой немыслимой точностью является очень сложной технической задачей, которую невозможно решить существующими методами! В новом методе на поверхность устройства наносится суспензия наночастиц, которые затем используются в комбинированном процессе химического удаления и механического трения, в результате чего поверхность «полируется» с атомной точностью. Такой процесс оказался весьма эффективным при использовании наночастиц многих распространенных полупроводниковых материалов (оксиды алюминия, кремния, церия), в результате объем рынка изделий, полученных методом CMP, вырос с 250 миллионов долларов в 1996 году почти до 1 миллиарда в 2000 году. При этом производство исходных компонент для самого процесса CMP (суспензии наночастиц, полировальные установки), естественно, стало самостоятельным сектором рынка материалов, и его объем в 2005 году составлял около 800 миллионов долларов [60] . Учитывая постоянную тенденцию полупроводниковой промышленности к миниатюризации и повышению точности обработки, можно быть уверенным, что рынок товаров и услуг, связанных с процессом CMP, будет и далее развиваться.

Упомянутые выше технологии относятся к известным и уже внедренным, но стоит упомянуть, что сейчас идет процесс коммерциализации и технической доработки многих других технологий, основанных на применении наночастиц. Например, профессора Пол Аливисатос (Калифорнийский университет, Беркли) и Мунджи Бавенди (Массачусетский университет) предложили новые процессы изготовления полупроводниковых наночастиц из материалов типа селенида кадмия (CdSe) и теллурида кадмия (TeSe). Частицы этих веществ, покрытые слоем сульфида цинка, приобретают способность поглощать свет в ультрафиолетовом диапазоне волн, а затем излучать свет в видимом диапазоне, что связано с так называемыми эффектами квантового удержания, причем длина волны излучения при этом зависит от размера используемых наночастиц. Такие источники намного превосходят известные излучатели (на флуоресцентных химических красителях) по стабильности работы и яркости излучения, но особую ценность им придает то, что наночастицы могут быть химически связаны с белками, олигонуклеотидами или просто небольшими молекулами. Наночастицы придают этим соединениям совершенно новые функциональные характеристики и тем самым открывают перед биологическими структурами и молекулами огромные перспективы в медицине и биотехнологиях в качестве флуоресцентных «меток» [61] . Более того, исследования показали, что длина волны излучения нанокристаллов кремния (диаметром менее 4 нм) в видимом диапазоне также зависит от размера кристаллов. Созданные на этой основе излучатели оказались гораздо более эффективными, чем используемые сейчас в твердотельной технике флуоресцентные и другие источники, что позволяет найти им много возможностей технического применения [62] . [Наночастицы многих веществ демонстрируют совершенно удивительные свойства, позволяющие использовать их в качестве катализаторов и т. п. Читатель может ознакомиться с этой проблемой в статье Ф. Болла «Новая алхимия» в журнале «Химия и жизнь», № 1, 2006. Прим. перев. ]

С уменьшением размеров кристаллитов до нанометров существенно изменяются их не только физические, но и химические свойства (в частности, каталитическая активность), ярким примером чего может служить поведение золота. Известно, что в обычном объемном состоянии золото химически является достаточно инертным элементом. Однако осажденные на поверхность золота частицы диоксида церия в неметаллической форме (в виде нанокластеров) в очень низких концентрациях (около 0,2–0,9 ат. %) становятся исключительно активными катализаторами известной реакции конверсии водяного газа [63] , при которой моноксид углерода и вода превращаются в двуокись углерода и водород. Эта реакция является ключевой в механизме действия топливных элементов на углеводородном топливе, которое в таких элементах превращается в водород и углеродсодержащие продукты. Давней мечтой разработчиков и производителей топливных элементов было доведение до максимума выхода водорода, то есть снижение до минимума количества непрореагировавшего моноксида углерода, который является «катализаторным ядом» электрокаталитической реакции внутри самого элемента. Использование наночастиц с указанным и очень небольшим количеством золота исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в используемых ранее катализаторах содержание благородного металла доходило до 10 ат. %.

Очень интересные перспективы перед исследователями открывают также значительные изменения магнитных свойств вещества при переходе к наномасштабам, позволяющие даже надеяться на возможность создания так называемых суперпарамагнетиков. Суперпарамагнитные наночастицы в отсутствие магнитного поля и при температурах выше точки Кюри ведут себя подобно обычным магнетикам, то есть их магнитные моменты располагаются случайно, однако при наложении внешнего поля они легко «выстраиваются» вдоль поля, создавая мощный общий магнитный момент. Этот механизм может быть использован для самых разных целей, в том числе и для формирования изображений на основе магнитного резонанса (magnetic resonance imaging, MRI). Метод теоретически был известен давно, но его практическое применение сдерживалось тем, что контрастность получаемых изображений обеспечивалась лишь очень небольшим числом природных входящих в состав организма веществ (например, дезоксигемоглобином). Эффективность метода и контрастность изображения могут быть существенно повышены за счет использования суперпарамагнитных наночастиц из оксидов железа, получивших название SPION (superparamagnetic iron oxide, SPION). Такие частицы, изготовленные на основе магнетита (Fe3O4), магемита (гамма Fe2O3) или их сочетаний, естественно, должны быть покрыты слоем вещества, повышающим стабильность коллоидной системы и обеспечивающим биологическую совместимость с организмом. Преимуществом описываемого метода магнитного резонанса выступает то, что он позволяет получать четкие изображения тканей, содержащих большое количество жидкости (например, пораженные органы или раковые опухоли). Уже сейчас такие наночастицы коммерчески производятся несколькими организациями [64] . Понятно, что поверхность частиц SPION может быть дополнительно химически модифицирована, чтобы придать ей способность взаимодействовать с контрастными агентами, специфическим тканями или видами клеток. Этот подход является очень перспективным, что уже привело к возникновению активно развивающихся областей разнообразных медико-биологических исследований [65] .

13.2.2. Производство наночастиц

Методы производства наночастиц можно грубо разделить на три основные группы, традиционно называемые сухим синтезом, мокрым синтезом и химическим размолом. При этом первые два метода относятся к так называемому восходящему производству (снизу вверх), поскольку наночастицы в них создаются из атомных прекурсоров (веществ-предшественников), а третий метод является очевидным примером нисходящего (сверху вниз) производства, когда мелкие частицы производятся за счет дробления и измельчения более крупных. Мокрый синтез включает в себя преципитацию и методику золь-гель, а сухой синтез – получение наночастиц множеством разных способов (горением, печным синтезом, плазмохимией и т. д.).

Независимо от метода производства основная цель состоит в получении нанопорошков с узким гранулометрическим распределением (то есть с узкой функцией распределения по размерам), а также в предотвращении возможной агломерации образующихся частиц. Ни один процесс не обеспечивает синтеза абсолютно одинаковых по размеру частиц, что заставляет исследователей искать новые методы «исправления» гранулометрического распределения. Чаще всего так называемые хвосты распределений убирают при вспомогательных технологических операциях, что обычно приводит к снижению производительности. Гораздо более сложной является проблема агломерации (слипания) частиц, так как наночастицы всегда характеризуются очень высоким значением отношения поверхность/объем, и для них процесс слипания является термодинамически очень выгодным. По этой же причине из нанопорошков тугоплавких соединений можно «сплавлять» объемные изделия при температурах ниже точки плавления, что уже давно применяется в промышленных производствах.

Требования к гранулометрическому распределению и агломерации порошков, естественно, сильно зависят от целей их дальнейшего использования. Например, эти требования должны очень строго выполняться при создании некоторых специальных нанообъектов (типа упоминавшихся выше флуоресцентных квантовых точек), но они не столь важны при использовании порошков для упомянутой выше химико-механической планаризации полупроводниковых кристаллов. Как и в любой другой отрасли производства, каждый метод получения нанопорошков обладает своими достоинствами и недостатками, а выбор обычно определяется конкретными задачами и условиями. Классическое измельчение является очень энергоемким, не говоря уже о том, что оно непригодно для получения порошков из целого ряда очень перспективных веществ, особенно из чистых металлов. В популярном и распространенном методе преципитации для предотвращения слипания частиц обычно в суспензию наночастиц вводят так называемые защитные лиганды, что, естественно, осложняет производственный процесс в целом, так как при последующих технологических операциях эти лиганды приходится химически удалять с поверхности частиц.

Проблемы агломерации для некоторых материалов исчезают при высокотемпературном синтезе частиц, когда разделение частиц и их закалка происходят одновременно. Однако такие процессы трудно осуществлять в промышленных масштабах, и они требуют больших затрат энергии. Кроме того, такой метод непригоден для получения порошков из некоторых материалов (например, окиси кремния), так как они при высокой температуре могут переходить в так называемое вязкое стеклообразное состояние. В некоторых случаях агломерация не происходит вообще из-за физических особенностей самого процесса производства, например, вследствие того, что образующиеся при дуговом распылении или в плазменной струе наночастицы оказываются электрически заряженными.

13.2.3. Общий обзор состояния производства наночастиц

Коммерческое использование любого метода должно быть обосновано экономически. В лабораторных условиях ученым удалось разработать множество интересных и красивых способов синтеза нанопорошков, но очень многие из них не удается довести до промышленного использования из-за сложности или экономических соображений (создание устойчивых рабочих режимов, стоимость исходных веществ и т. п.). Следует особо отметить, что проблема внедрения научно-технических разработок (то есть фактически масштабного воспроизведения физико-химических эффектов в коммерческом масштабе) является, вообще говоря, исключительно сложной как в техническом, так и в социальном аспекте. Некоторые известные фирмы (Cabot, Degussa, DuPont) уже давно организовали производство нанопорошков основных типов (оксиды алюминия, кремния и титана) на основе аэрозольного пиролиза. В настоящее время многие фирмы начали промышленно изготовлять нанопорошки методами плазмохимии, обеспечивающими не только высокую производительность, но и возможность, как отмечалось выше, существенного снижения агломерации в продуктах [66] . Существует много других перспективных и интересных методов, коммерциализация и широкое использование которых упирается в известную проблему, наверняка знакомую американским читателям по названию романа Курта Воннегута «Уловка-22», ставшего символом внутренней противоречивости ситуации (в нашем случае – производство нанопорошков сдерживается отсутствием развитого рынка, а слабость рынка объясняется малым объемом производства самих порошков).

В последние годы общественность стала проявлять интерес не только к наночастицам и нанотехнологиям, но и к тому потенциальному риску, с которым может быть связано их широкое использование [67] . Некоторые авторы обратили внимание на корреляции между промышленным использованием наночастиц, уровнем загрязнения атмосферы и состоянием здоровья населения [68] . Основная и очень серьезная проблема состоит в том, что многие вещества, совершенно безопасные в обычной объемной форме, могут стать токсичными после измельчения до наноразмеров, то есть существующие нормы безопасности для их использования могут оказаться недостоверными. Поэтому уже сейчас ряд правительственных организаций США (включая Агентство по охране окружающей среды и Национальный научный фонд) активно занимаются изучением потенциального риска, связанного с производством и использованием новых материалов [69] .

13.3. Углеродные нанотрубки

Брент Сегал

Брент Сегал представляет фирму Echelon Ventures (Бирлингтон, штат Массачусетс), которая занимается с наиболее «взрывными» технологиями на стыке наук. Он принимал участие в раскрутке многих инновационных фирм, связанных с биохимией, нанотехнологиями, полупроводниками и т. д. Он является активным членом многих организаций, связанных с развитием нанотехнологий, в штате Массачусетс (в котором разработана собственная Massachusetts Nanotechnology Initiative, MNI) и соседних регионах. Можно отметить, что инновационные планы ряда штатов США вполне сопоставимы с планами некоторых стран. Б. Сегал занимает важное место среди ученых в развитии инновационных технологий в ряде северо-западных штатов США. Он является специалистом по биохимии, имеет множество публикаций в научных журналах, соавтор многих патентов в области нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки, открытые Сумио Иидзима в 1991 году, продолжают поражать ученых своими необычными свойствами [70] . Обычно они представляют собой свернутые в цилиндр (диаметром около 1–2 нм) «листы» (плоскости) графена, которые заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольных циклов углерода (рис. 13.2). В книгах по истории химии читатель наверняка видел иллюстрации открытия нового химического вещества, где химик стоит среди реторт и перегонных кубов, с удивлением наблюдая свечение или пары из колбы, где возникло новое соединение. В случае с нанотрубками все обстояло иначе, поскольку они были обнаружены специалистом по электронной микроскопии, исследовавшим осадок на поверхности катода после экспериментов по синтезу фуллеренов (бакиболлов, на жаргоне химиков).

Рис. 13.2. Упрощенная схема строения углеродной нанотрубки (рисунок предоставлен доктором Петером Берке из Калифорнийского университета в Ирвине)

Это открытие стало одним из важнейших в истории нанотехнологий (и науки вообще), поскольку оно не только позволило обнаружить новые вещества и свойства (естественно, существовавшие задолго до их открытия), но и создало массу возможностей для их дальнейшего исследования. Открытие Иидзимы казалось фантастическим, но затем было разработано множество других методов синтеза углеродных нанотрубок, связанных с использованием дугового разряда, лазерной абляции (испарения) и осаждением из газовой фазы [71] . Во всех этих технологиях при высоких температурах создаются свободные и активные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры (паттерны) на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Наиболее распространенным методом является синтез в дуговом разряде, при котором в большом количестве формируются многослойные нанотрубки (обычно диаметром более 5 нм) в виде вложенных цилиндров, напоминающих по строению «русскую матрешку». В последние годы этот метод удалось модифицировать для получения большого количества и более ценных для практического использования однослойных нанотрубок. Метод лазерного испарения позволяет изготовлять высококачественные однослойные нанотрубки, но, к сожалению, он требует применения очень мощных лазеров, а его продуктивность весьма незначительна. Группа специалистов из университета Райса, возглавляемая Нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (чей авторитет в этой области остается непререкаемым), предложила использовать для получения нанотрубок широко распространенный метод осаждения из газовой фазы. Нанотрубки по этой методике выращиваются с использованием распространенных неорганических реактивов и специфических катализаторов на переходных металлах, позволяющих формировать однослойные нанотрубки. Типичная схема строения углеродной нанотрубки представлена на рис. 13.2.

13.3.1. Необычные свойства нанотрубок

Легко заметить, что углеродные нанотрубки имеют очень интересные и необычные структуры, однако их физико-химические свойства являются еще более удивительными и предоставляют исследователям массу возможностей для практического применения, высокой коммерческой ценностью. Вообще говоря, эти трубки принято подразделять на однослойные и многослойные, но, учитывая значительное сходство характеристик, мы ограничимся для простоты обсуждением лишь однослойных трубок.

Прежде всего следует отметить необычные физические свойства таких трубок, точнее – материалов на их основе, которые отличаются очень высокими значениями коэффициентов прочности, упругости, теплопроводности и электропроводности. Конкретные показатели имеют большой разброс (в зависимости от методов получения нанотрубок), но во всех случаях они представляются поразительными. Например, по данным некоторых авторов [72] , прочность однослойных углеродных нанотрубок (SWTN) на разрыв превышает соответствующий показатель для стали в 50—100 раз! Одновременно SWTN обладают очень высокой упругостью, то есть способностью к восстановлению формы после упругой деформации. Читатель может почувствовать необычность новых материалов, пытаясь представить себе молекулярную структуру, значительно превосходящую сталь по прочности на разрыв, но одновременно гибкую, как резина!

При этом, несмотря на свою сложную структуру SWTN проводят тепло вдвое лучше алмаза, считающегося одним из лучших теплопроводных материалов а также обладают исключительно высоким коэффициентом электропроводности (около 109 А/см2), что в сто раз выше электропроводности меди, являющейся наиболее распространенным материалом для изготовления бытовой электропроводки.

Следует отметить еще одну особенность строения SWTN, имеющую важнейшее значение для их возможного применения в электронике и электротехнике. Рассматривая атомарную структуру нанотрубок даже на схематическом рисунке, легко заметить, что связи атомов углерода в цилиндрах нанотрубок, подобно привычным органическим молекулам, могут быть ахиральными (то есть однородно располагаться вдоль оси) или хиральными (то есть «закрученными» в двух разных направлениях относительно оси). Оказалось, что ахиральные и хиральные формы SWTN отличаются не только геометрически и эстетически, но и придают структурам свойства металла и полупроводника соответственно.

К этому списку удивительных физико-химических характеристик следует добавить, что SWTN представляют собой очень легкий и термостойкий материал. Его плотность вдвое меньше, чем у алюминия, а температура плавления в вакууме достигает 2700 °C, что сравнимо с показателями для многих тугоплавких металлов (рутения, иридия и ниобия) [73] . Положения атомов углерода и образуемые ими связи могут варьироваться (как и в плоскостях графена), что открывает перед исследователями огромное поле деятельности. Некоторые специалисты полагают, что нанотрубки могут стать основой совершенно нового направления органической химии.

Дополнительные свойства и характеристики углеродным нанотрубкам могут быть приданы не только изменением структуры, но и прямым присоединением функциональных групп или биологически активных соединений, что можно использовать в биологии и медицине. Уже сейчас материалы на основе фуллеренов используются в качестве антиоксидантов, а также для доставки лекарств в организме и замещения аминокислот, что позволяет надеяться на создание нового класса лекарственных препаратов. В этом направлении ведутся интенсивные исследования, и появились публикации о возможности присоединения к таким наноструктурам специфических антител к некоторым видам вирусов, а также о возможности их использования в качестве «основы» для выращивания сетки из эпителиальных клеток для пересаживания в сетчатку человеческого глаза при некоторых поражениях.

13.3.2. Проблемы получения и промышленного производства нанотрубок

За последние годы методы производства углеродных нанотрубок заметно улучшились, в результате чего наблюдается как рост производительности внедряемых технологий, так и снижение стоимости продуктов. Понятно, что превращение нанотрубок из интереснейшего объекта научных исследований в полноценные коммерческие продукты требует прежде всего разработки промышленных технологий их производства в достаточно больших количествах и по разумной цене. Кроме того, для практического использования необходимо, чтобы производимые порошки были достаточно однородными. Для многослойных углеродных нанотрубок (MWNT) эта задача практически решена, так как метод синтеза в электрической дуге уже позволяет производить большие объемы порошка по сравнительно невысокой цене. Сложнее обстоит дело с производством гораздо более важных в научном и практическом отношении однослойных углеродных нанотрубок (SWTN), так как синтез в электрической дуге обеспечивает лишь высокую производительность установок, но не гарантирует чистоту продуктов. Наличие углеродистых примесей разного типа в SWTN сейчас является основным препятствием для множества интересных возможностей коммерческого применения. В самое последнее время была разработана и получила большую популярность плазменная модификация метода химического осаждения из газовой фазы (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PEVCD), позволяющая получать большие количества SWTN микронной длины с достаточно высокой чистотой, удовлетворяющей спецификации ряда возможных сфер применения. На рис. 13.3 приведена микрофотография решетки из однослойных углеродных нанотрубок, выращенной по этому методу.

Рис. 13.3. Решетка из однослойных углеродных нанотрубок, выращенная методом химического осаждения из газовой фазы с использованием плазмы

Сообщается, что метод PEVCD позволяет значительно понизить рабочую температуру процесса выращивания нанотрубок за счет того, что активные атомы углерода возникают в плазменной струе, а не под воздействием сверхвысокой температуры (как это имеет место при выращивании химическим осаждением из газовой фазы). Наиболее интересным представляется применение однослойных нанотрубок в электронике, но именно там к их чистоте предъявляются самые строгие требования. В настоящее время высокочистые SWTN коммерчески производят лишь немногочисленные компании, поэтому стоимость порошков остается слишком высокой для широкого применения.

Понятно, что при любом коммерческом использовании нанотрубок в электронике основной технической проблемой станет создание схем из трубок на поверхности пластинок разного типа (из кремния, из кремния на изоляторе и т. п.). При этом трубки должны укладываться с учетом специфической ориентации, что представляет собой сложную проблему. В настоящее время существуют два основных подхода к решению этой задачи. Прежде всего, трубки могут выращиваться на подложке с предварительно распределенными специфическими катализаторами, что позволяет создавать структуры типа показанной на рис. 13.4, внутри которых может быть обеспечен рост трубок в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от нанесенных на участок специфических катализаторов роста). В других случаях требуемая схема может формироваться из неориентированных трубок за счет использования особенностей растворов и т. д.

Рис. 13.4. Выращивание решетки многослойных углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы

Выращивание трубок в вертикальном направлении, уже осуществленное рядом исследователей, имеет особую ценность для создания электронных устройств с так называемой автоэлектронной эмиссией. Классические методики осаждения из газовой фазы дают хорошие результаты в лабораторных условиях, но их трудно реализовать в промышленных масштабах, прежде всего, из-за необходимости использовать высокие температуры (более 800 °C для выращивания SWTN). Это ограничение является весьма серьезным, так как высокотемпературная обработка может стать причиной возникновения дефектов в материале подложки, нанести вред контрольной аппаратуре и т. д. Поэтому сейчас ведутся интенсивные поиски возможностей применения упомянутого выше метода PEVCD для выращивания однослойных углеродных нанотрубок. Многие методики вертикального выращивания наноструктур находятся в стадии разработки, но инженеры и технологии возлагают на них большие надежды.

Существует также подход, при котором наноструктуры не выращиваются, а формируются на подложке горизонтально, то есть осаждением слоев заданной толщины за счет регулирования концентрации растворов и условий осаждения. В развитии таких методик также приходится решать трудные задачи, связанные с очисткой растворов нанотрубок, однородностью распределения структур по большой поверхности подложки, необходимостью создавать сложные паттерны из проводящих нанотрубок и т. д. Производственные процессы при таких методиках могут оказаться излишне долгими и трудными.

Многослойные трубки SWTN уже выпускаются коммерчески многими поставщиками, которые производят их модифицированными методиками осаждения из газовой фазы. Для использования в электронике такие трубки должны быть очищены от примесей металлов (например, элементов групп IA и IIA периодической таблицы, используемых в процессе синтеза) и различных углеродистых соединений. Затем трубки подвергаются солюбилизации и наносятся на поверхность подложек для дальнейшей обработки.

13.3.3. Возможности применения

Существует огромное количество предложений по практическому использованию углеродных нанотрубок для самых разных целей, в связи с чем интересно отметить, что самые первые предложения относительно использования многослойных трубок относились к созданию композитных материалов для батарей и излучателей для пульта переключения телевизоров [74] . В настоящее время, по мере снижения стоимости производства исходных материалов, число предлагаемых проектов постоянно возрастает, хотя основное внимание авторов все еще привлекает создание композитных материалов.

Очевидно, что перечисленные выше электромагнитные, механические, химические и оптические особенности углеродных нанотрубок или материалов на их основе (так называемых нанотканей) позволяют считать их потенциально исключительно ценным материалом для создания новых интегральных электронных устройств. Число и разнообразие сфер применения только возрастает по мере накопления новых данных. В качестве примера стоит отметить теоретическую возможность создания на их основе так называемых энергонезависимых запоминающих устройств (речь идет о компьютерах с «мгновенным» запуском). Кроме того, те же характеристики позволяют проектировать множество других имеющих практическую ценность устройств. В настоящее время наибольший интерес вызывают разнообразные датчики (химические, биологические, радиационные), пассивные переключатели с очень низким сопротивлением и емкостью, электромагнитные устройства с автоэлектронной эмиссией. В медицине и биологии предлагаются проекты структур для выращивания биологических клеток, создания антиоксидантов, мишеней для получения изображений (тканей или отдельных клеток) в ближней инфракрасной области спектра и т. п. Список возможного применения очень велик и постоянно растет, поэтому в таблице 13.1 предлагается общая схема систематизации областей применения материалов (тканей) на основе однослойных углеродных трубок в основных направлениях развития нанотехнологий [75] .

Табл. 13.1. Примеры возможного применения материалов на основе однослойных углеродных нанотрубок и нанотканей

Одна из наиболее интересных и перспективных возможностей широкого применения однослойных нанотрубок связана с созданием упоминавшихся выше энергонезависимых запоминающих устройств, то есть компьютеров с «мгновенным запуском» [76] . В этом направлении достигнут значительный прогресс в использовании поверхностных структур (сборок) из однослойных трубок, дополняющих интегральные схемы [77] , способных сохранять свои молекулярные характеристики без внешнего физического контроля на атомарном уровне (в данном случае без подачи напряжения). Для организации возможного промышленного производства очень важно, что такие мономолекулярные и атомарные поверхностные структуры могут быть созданы в результате достаточно простых операций. Сначала на поверхность кристалла при комнатной температуре наносится слой специального раствора, содержащего SWNT и полупроводниковые компоненты. После испарения растворителя на поверхности остается мономолекулярная пленка, на которую может быть литографически нанесена требуемая схема (паттерн). На последней стадии процесса пластина подвергается обычному травлению в кислородной плазме. Особенно важно, что метод позволяет наносить слой наноматериала на поверхности с наклонными участками, резкими перепадами, острыми краями структур и т. п. Возможность покрывать сложные поверхности «нанотканью», а затем обрабатывать ее хорошо отлаженными традиционными технологическими операциями позволяет исследователям мечтать о замене существующих «горизонтальных» интегральных схем на трехмерные, или «вертикальные». Не стоит и говорить, что переход к объемному дизайну интегральных схем и устройств будет означать революционные изменения для электроники.

Комбинируя сложные паттерны (образно говоря, выкройки из ткани, образованной нанотрубками) со специально спроектированными углублениями на плоскости вокруг ткани, можно создать объемные структуры, или пустоты. Электронную «выкройку» схемы в пространстве можно «подвесить», закрепив ее в местах контакта с электродами. Такие устройства, называемые молекулярными микропереключателями (molecular microswitcher, MMS), уже существуют, и сейчас разработчики стараются создать на их основе запоминающие или логические устройства.

Используемые в описанном подходе схемы (то есть специальным образом обработанные участки наноткани из SWNT толщиной 1–2 нм) в дальнейшем могут быть объединены в единое целое со стандартными полупроводниковыми устройствами (например, с известными комплементарными МОП-структурами). Присоединяя новые схемы не в плоскости, а в пространстве (снизу или сверху), можно управлять работой молекулярных микропереключателей. Использование такой техники позволяет создавать смешанные интегральные схемы (наносхемы + КМОП-структуры) практически любого размера. Размеры нанообъектов или участков единой схемы настолько малы, что единственным фактором, ограничивающим уменьшение размеров новых устройств, остаются границы возможностей существующей литографической техники. Исходя из описанного подхода, можно даже сказать, что существует лишь абстрактный физический предел интеграции электронных схем, определяемый размерами элементарного устройства из двух металлических нанотрубок, связанных собственным электромеханическим взаимодействием.

13.4. Нанопроволоки

Джонг Лин Ванг

Джоне Лин Ванг (Zhong Lin Wang) является руководителем Центра по производству и изучению наноструктур в фирме Georgia Tech. Он является автором и соавтором 4 книг и учебников в данной области и участвовал (в качестве автора, редактора и соавтора) в опубликовании более 400 научных материалов обзоров и книг по нанотехнологиям. Он имеет много патентов в данной области и (по данным Science Watch, ISI) входит в число 25 самых цитируемых авторов по нанотехнологии за период 1992–2002 годов. Индекс цитирования Дж. Ванг является исключительно высоким (его работы упоминаются более 9000раз).

Дж. Ванг в 2001 году сумел первым синтезировать наноленты (нанополоски), что стало важным открытием в наноматериаловедении, в результате чего его статья на эту тему заняла второе место по цитируемости среди работ по химии за 2001–2003 годы. Статья Ванга о пьезоэлектрических «нанопружинах» стала наиболее цитируемой публикацией по материаловедению в 2004 году. В 1999 году Вангу и его сотрудникам удалось создать самые микроскопические «весы», что было объявлено Американским физическим обществом «прорывом» в нанотехнологических исследованиях. Он был избран членом Европейской академии наук ( www.eurasc.org ) в 2002 году и принят в члены Мирового фонда инноваций (World innovation Foundation, www.thewif.org.uk ) в 2004 году, а также получил большое количество премий и наград. Дж. Ванг продолжает активно заниматься научными исследованиями в области нанопроволок и нанолент, измерения характеристик нанообъектов, сборки наноструктур и использования нанодатчиков и наноустройств в медико-биологических целях. Подробности читатель может найти на сайте http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang .

Проволоки толщиной несколько нанометров никогда не существовали в природе и могут считаться искусственными объектами в самом строгом смысле этого понятия. В настоящее время они представляют собой весьма обширный и коммерчески ценный класс наноматериалов, так как они могут быть синтезированы в виде заранее спланированных монокристаллических структур, обладающих заранее спланированными и строго заданными характеристиками, которые могут регулироваться в процессе синтеза или выращивания. В число этих характеристик входят такие важные параметры, как химический состав, диаметр, длина, степень и тип легирования и т. п. Производство полупроводниковых нанопроволок (НП) можно считать наиболее изученным и технологически разработанным направлением в изготовлении наноматериалов (в данном случае правильнее будет называть НП строительными блоками для создания других материалов или устройств), позволяющим осуществлять дальнейшую модификацию или интеграцию. В качестве примера возможностей методики выращивания нанопроволок на рис. 13.5 представлена микрофотография одной из структур рассматриваемого типа. Такие полупроводниковые НП или структуры на их основе уже с успехом применяются для создания распространенных и коммерчески важных полупроводниковых устройств, среди которых можно упомянуть нанометрические полевые транзисторы (FET), p-n-диоды, светоизлучающие диоды (LED), плоскостные биполярные транзисторы, инверторы, сложные логические схемы и даже целые вычислительные устройства. Отдельные устройства или блоки из НП могут быть объединены в схемы, которые вообще не имеют аналогов в обычной электронике, не говоря уже о том, что после химической модификации поверхности неорганических полупроводниковых НП можно создавать не просто новые устройства, но даже новые принципы или копцепции развития вычислительной техники.

Рис. 13.5. Упорядоченная структура нанопроволок из полупроводника ZnO. Однородность структуры (места роста, плотность) и весь процесс выращивания проволок регулируются предварительным нанесением на твердую подложку катализаторов, содержащих золото

В последние годы возник и стал широко использоваться еще один уникальный класс объектов, названных нанолентами (НЛ). Эти квазиодномерные наноматериалы обладают хорошо выраженной структурой и поверхностью и отличаются разнообразием, связанным с их химическим составом и кристаллографической структурой. НЛ действительно представляют собой ленты и полоски (иногда их называют нанополосками) из полупроводниковых оксидов цинка, олова, кадмия и галлия (на рис. 13.6 приведена микрофотография наноленты из ZnO). Такие ленты легко можно получить известными коммерческими методами испарения порошков оксидов при высоких температурах. Уже сейчас можно производить оксидные монокристаллические НЛ с заданными размерами и правильной прямоугольной формой сечения, обладающие высокой химической чистотой и структурной однородностью. На основе таких нанолент или полосок уже созданы разнообразные устройства: полевые транзисторы, высокочувствительные газовые датчики, нанорезонаторы, нанокронштейны для атомносиловых микроскопов и т. п. В настоящее время многие исследователи заняты изучением физических свойств НП (например, их теплопроводности и т. д.), а также успешно пытаются синтезировать новые объекты этого класса (в частности, нанопружины и нанокольца), которые могут найти широкое применение для изготовления датчиков, преобразователей, приводных устройств и т. д.

Рис. 13.6. Нанолента, полученная осаждением паров ZnO при высокой температуре. Продукт характеризуется высокой однородностью поверхности и размеров прямоугольного сечения

13.4.1. Применение нанопроволок

13.4.1.1. Биологические датчики на основе нанопроволок

Известно, что электрический заряд многих биомолекул (включая белки и ДНК) меняется в зависимости от их функционального состояния, что может быть использовано для их детектирования специально спроектированными датчиками. В частности, наличие таких молекул можно зарегистрировать при их химическом связывании с обработанной поверхностью нанопроволок. Например, создан датчик на основе кремниевой нанопроволоки (SiNW), поверхность которой после обработки биотином приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, как показано на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Регистрация связывания белка. Модифицированная биотином поверхность кремниевой нанопроволоки SiNW (слева) приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, образуя комплекс биотин-стрептавидин (справа). Для наглядности процесс представлен лишь схематически, без указания точных размеров нанопроволоки SiNW и белковых молекул

13.4.1.2. Светоизлучающие диоды с пересечением р-п-переходов

Оптоэлектронные детекторы необычного типа могут быть созданы на основе светоизлучающих нанодиодов и нанолазеров из полупроводников с прямыми оптическими переходами типа InP. На рис. 13.8 показано устройство, позволяющее проверять согласованность режима работы перекрестных светодиодов на основе трехмерных «изображений» интенсивности электролюминесценции и фотолюминесценции. Контроль характеристик изделий осуществляется по специальной методике, основанной на цветовых оттенках излучения. Такие методы могут оказаться очень полезными в будущем, например, для контроля качества изделий при промышленном производстве фотонных устройств и т. п.

Рис. 13.8. Трехмерная картина интенсивности электролюминесценции скрещенных светодиодов на основе нанопроволок

13.4.1.3. Логические устройства на основе нанопроволок

Комбинируя пересекающиеся решетки из нанопроволочных светоизлучающих диодов и передатчиков, можно создавать новые устройства с высокими коэффициентами усиления и другими ценными характеристиками, а затем даже формировать из них более сложные схемы. Таким сложным устройствам можно будет придавать новые функциональные способности, включая осуществление логических операций, что может привести к созданию мощных компьютеров нового типа.

Для создания вычислительных устройств необходимо, в первую очередь иметь два основных структурных элемента (транзисторы и диоды), причем транзисторы обеспечивают усиление по напряжению, а диоды – ряд важных операций. Малые размеры наноустройств делают их очень удобными для монтажа, а комбинирование нанодиодов и полевых транзисторов позволяет создавать логические вентили разных типов (AND, OR, NOR), являющиеся основой аппаратного обеспечения современной вычислительной техники (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Логическая схема, построенная на основе решетки (1 х 3) пересекающихся нанопроволок с переходами. Врезка на рисунке схематически соответствует изображению на сканирующем электронном микроскопе, а также подключению к символической электрической схеме

13.4.2. Наноструктуры с полярными поверхностями

В качестве материала для коммерческих приложений одним из самых перспективных выглядит упомянутый выше оксид цинка ZnO, обладающий тремя достоинствами. Во-первых, он относится к классу полупроводников с прямыми оптическими переходами и широкой запрещенной зоной, а также способен излучать в ближней (длинноволновой) ультрафиолетовой области и оставаться фотопрозрачным при температурах выше комнатной. Благодаря нецентральной симметрии этот кристалл относится к пьезоэлектрическим, что позволяет создавать на его основе разнообразные электромеханические датчики и устройства связи, тем более что пьезоэлектрический коэффициент поляризованной наноленты ZnO примерно втрое выше, чем у объемного образца. Кроме того, материалам из ZnO можно легко придать биологическую безопасность и совместимость с тканями живых организмов без нанесения специальных покрытий. Биологическая совместимость придает этим материалам исключительную ценность при изготовлении различных биомедицинских устройств или датчиков как для исследовательских, так и для коммерческих целей. Наконец, стоит отметить и то, что этот материал легко подается обработке и на его основе создано множество изделий, о которых кратко рассказывается ниже.

Одним из распространенных методов промышленного изготовления наноструктур является их синтез или формирование из паров при термической сублимации (возгонке) твердых исходных материалов, обычно засыпаемых в виде порошка в центральную часть так называемых трубчатых печей. По мере повышения температуры исходные материалы сублимируются, а затем их ионы осаждаются в зонах печи с более низкой температурой, формируя различные наноструктуры. Процесс может регулироваться (и в эксперименте, и в производственных условиях) сразу по нескольким параметрам, включая кинетику роста, локальную температуру, химический состав исходных веществ и т. д. К настоящему времени разработано множество самых разнообразных процессов, позволяющих получать из ZnO нанообъекты с полярными поверхностями, причем большинство процессов легко воспроизводятся и обеспечивают высокую производительность. В зависимости от условий процесса исследователям иногда удается выращивать удивительные по форме объекты, которым трудно подобрать определения и их приходится условно называть пропеллерами, клетками и т. п. (рис. 13.10).

Рис. 13.10. Разнообразные нанообразования из ZnO с индуцированной или постоянной поляризацией поверхности. Изделия получают термической сублимацией исходных порошков (или другими, указанными ниже способами) и последующим осаждением их паров при контролируемых условиях роста и формообразования. (а) Сотовые структуры, формирующиеся при асимметричном росте на поверхности Zn-(0001); (б) растущие на каталитически активных поверхностях Zn-(0001)стрyктyры с «ножками»; (в) получаемые химическим синтезом из раствора гексагональные диски или кольца; (г) образующиеся при быстром росте частицы в виде «пропеллеров»; (д) образующиеся в результате самосборки спирали без деформаций; (е) спирали из нанолент с постепенно возрастающей толщиной; (ж) пружины; (з) бесшовные монокристаллические нанокольца, образуемые намоткой поляризованных нанолент; (и) сложное «архитектурное» образование из стержней, дуг и колец. На микрофотографиях указаны цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температурой

В настоящее время оксид цинка ZnO можно считать одним из наиболее перспективных материалов нанотехнологии, который может использоваться в катализе, производстве датчиков, приводов и пьезоэлектрических преобразователей разнообразного применения, а также в создании новых видов акустической и лазерной техники. Интерес к новым материалам и изделиям проявляют также коммерческие производители оптоэлектроники и биомедицинского оборудования. Поляризация поверхности описанных выше структур требуется для некоторых сфер применения и придает наноматериалам дополнительные свойства. Неполярные нанообъекты из ZnO также обладают большим разнообразием и найдут много областей практического применения, причем в их производстве могут быть использованы дополнительные механизмы регулирования процессов роста и формообразования (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Различные типы нанообъектов, синтезируемые из ZnO с неполяризованной поверхностью. Изделия получают при термической сублимации исходных порошков и последующим осаждением паров при контролируемых условиях роста и формообразования. В число регулируемых параметров процесса входят материалы, температура выращивания, температурные градиенты при осаждении, типы подложек. (а) Ленты; (б) упорядоченные массивы проволок; (в) трубки; (г) «пропеллеры»; (д) мезопористые трубки; (е) «клетки» и ядра; (ж) иерархическая структура из клеток и пропеллеров. На микрофотографиях приводятся цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температурой

13.5. Мягкая нанотехнология

Фиона Кейс

Фиона Кейс более 15 лет занимается разработкой и внедрением в промышленное производство новых разновидностей полимеров и поверхностно-активных веществ. Еще в конце 80-х годов она приступила к работе в исследовательском отделе английской фирмы Courtaulds Research, где участвовала в разработках по химической модификации и приданию новых свойств целлюлозным волокнам, делающим их более безопасными для окружающей среды и удобными для переработки. Затем она перешла к изучению микроструктуры углеродных и полимерных волокон методами компьютерного моделирования. Это привело к сотрудничеству с американской фирмой Biosym/Molecular Simulations Inc., являющейся одной из ведущих организаций в этой области. Фиона Кейс переехала в США, где проработала 9 лет в Biosym, а затем стала по контрактам выполнять исследовательские работы для крупнейших американских и европейских фирм, связанных с производством и использованием полимеров. Возглавляемая ею группа подготовила и провела в разных странах десятки семинаров и курсов по моделированию поведения полимерных и волоконных систем. Кроме того, она активно занимается организацией производства и маркетингом новых товаров.

С 1999 года Фиона Кейс возглавляла исследовательскую группу в фирме Colgate Palmotive, занимающуюся изучением структуры и свойств самых разнообразных косметических и пищевых продуктов (зубные пасты, детергенты, лаки, покрытия и т. п.), а также разработкой технологии их производства, упаковки и т. д. В 2003 году Ф. Кейс (совместно с мужем Мартином Кейсом) основала собственную компанию Case Scientific ( www.casescientific.com ), занимающуюся научными консультациями и заказными исследованиями в области так называемой «мягкой» нанотехнологии, моделирования поведения разнообразных материалов, полимерной химии, поверхностно-активных веществ и т. п. Фиона Кейс является членом Королевского химического общества Англии, американского Химического общества, а также Национальной ассоциации писателей, популяризирующих достижения науки.

Многие жидкие или мягкие потребительские товары и изделия (к ним относятся продукты питания, краски, моющие средства, предметы личной гигиены, косметика и т. п.) содержат микро– или наноструктуры, которые образуются обычно методами естественной самоорганизации многих натуральных или синтетических поверхностно-активных веществ и блок-сополимеров. Для получения разнообразных структур и материалов разработана сложная технология получения нужных смесей из поверхностно-активных веществ (ПВА) и полимерных материалов. Эта область наноматериалов и методик их обработки получила название мягкой нанотехнологии.

На рис. 13.12 показана схема действия очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества, а на рис. 13.13 приведены некоторые механизмы образования более сложных структур в растворах ПАВ и блок-сополимеров. Образующиеся при этом конкретные структуры определяются множеством условий, среди которых важнейшими являются относительные размеры гиброфильной «головки» и гидрофобного «хвоста» химической молекулы (эта терминология является привычной для специалистов по полимерам и коллоидной химии). Например, ионогенные ПАВ (характеризующиеся наличием заряженных головных групп) в показанных на рисунках механизмах легко образуют сферические мицеллы, неионогенные ПАВ-структуры в виде стержней или нитей, а молекулы ПАВ с несколькими концевыми группами – ячеистые структуры или ламеллы со слоистой, иногда почти плоской структурой. Естественно, в мягкой нанотехнологии форма структур может легко изменяться за счет введения в растворы небольшого количества различных дополнительных веществ, регулирующих параметры жидкой среды и условия роста.

Рис. 13.12. Пример очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Структурная химическая формула (вверху), общий вид в растворе (слева внизу), схема (внизу справа)

Рис. 13.13. Схематическое представление образования структур различными поверхностно-активными веществами в водной среде: сферические мицеллы (вверху); стержни, или нити (средний рисунок); пузырьки (внизу). На рисунке показаны разрезы наноструктур, показывающие роль гидрофильных головных групп и гидрофобных концевых групп при взаимодействии с окружающей водной средой

Мягкая нанотехнология отличается исключительной чувствительностью к изменению условий процесса. Стоит добавить немного горячей воды в реакционный сосуд с примесями и жирами, как соотношение компонент чуть-чуть изменится, и в среде начнут образовываться мицеллы совершенно новых форм, а примеси начнут объединяться совсем по-другому. Нанося аккуратно на любую поверхность самую высококачественную эмульсионную краску, необходимо помнить, что через некоторое время структура краски (а следовательно, ее вязкость и другие физико-химические свойства) неизбежно изменится, хотя бы в незначительной степени. Многие такие процессы, относящиеся именно к мягкой нанотехнологии, играют очень важную роль при смешивании компонент коммерчески важных изделий, то есть о них следует постоянно помнить при оценке вкуса и текстуры пищевых продуктов типа шоколада, мороженого или йогурта.

Очень трудно или почти невозможно объективно или точно описывать и оценивать характеристики многих продуктов мягкой нанотехнологии, поэтому до самого последнего времени большинство технологов (например, в производстве продуктов питания) руководствуется просто личным опытом, эмпирическими правилами и секретами производства, передаваемыми из поколения в поколение. Проблема заключается в том, что интересующие нас процессы в этой области осуществляются простой молекулярной самоорганизацией, законы которой нам неизвестны, вследствие чего мы не можем предсказывать изменение характера растущих структур при изменении состава смеси. Кроме того, в косметике или пищевой промышленности вообще очень трудно определить, какой именно получаемый продукт следует считать коммерчески успешным (например, очень трудно угадать, какое именно мороженое потребители сочтут вкусным?). Вкусовые и потребительские предпочтения публики остаются неопределенными и изменчивыми, вследствие чего исследователям и технологам часто даже непонятно, к созданию каких структур им следует стремиться и что является важным для конкретных приложений.

Новейшие методы позволяют использовать более строгие и физически обоснованные параметры оценки качества продуктов мягкой нанотехнологии, например, мы может объективно оценивать их характеристики, применяя методики динамического рассеяния света в веществе, ядерного магнитного резонанса, рентгеновского и нейтронного рассеяния, электронной микроскопии и т. п. Более того, для оценки таких продуктов уже предлагаются и применяются автоматические методы, однако следует помнить, что формулы и исходные оценки должны как-то задаваться человеком-программистом. С другой стороны, развиваются совершенно новые теории восприятия, оценки вкуса и методы компьютерного моделирования поведения, что, возможно, позднее и приведет к революционным преобразованиям в самых консервативных производствах, связанных с мягкими нанотехнологиями.

В заключение хотелось бы отметить еще одно важное обстоятельство. Выше рассказывалось лишь о возможностях использования мягких нанотехнологий в производстве продуктов питания, косметики и других товаров бытового назначения, но читатель не должен полагать, что эти технологии не могут быть применены и для более серьезных целей. Наоборот, многие исследователи считают, что самоорганизация и структурирование нанообъектов в жидкой среде позволит в будущем разработать надежные и дешевые способы промышленного производства новых материалов и очень сложных устройств. Например, фирма IBM уже изучает возможности синтеза наноструктур для электронной промышленности в процессах молекулярной самосборки и блок-сополимеризации. В последнее время наметился еще путь к созданию совершенно новых материалов для электроники, связанных именно с разнообразными «мягкими» или гибкими наноструктурами, подобными описанным выше. Идея метода состоит в том, что получаемые в жидких и эмульсионных средах структуры используются затем в качестве своеобразных шаблонов, или матриц, для производства «жестких» объектов с заданными свойствами. Образуемые при блок-сополимеризации эмульсионные формирования (ячейки, мембраны, пузырьки) могут быть химически стабилизированы и применены в качестве «устройств», обеспечивающих перенос лекарственных препаратов внутри организма (включая введение препаратов внутрь клеток). В целом можно сказать, что методы мягкой нанотехнологии, связанные со стабилизацией разнообразных коллоидных систем (растворы и гели наночастиц) и их дальнейшим использованием, представляют новую и весьма перспективную область исследований. [Читатель, заинтересовавшийся возможностями использования эмульсий, мембран и коллоидных систем для практических целей (особенно в области медицины и биохимии), найдет много полезной и разнообразной информации в книге М. Накагаки «Физическая химия мембран». М., Мир, 1991. Прим. перев. ].

Глава 14 Нанодатчики: разработки, перспективы и разнообразие применения

Дэвид Дж. Нагель, Шарон Смит

Дэвид Дж. Нагель стал ученым лишь в зрелом возрасте, сменив множество занятий. До этого он служил в военно-морском флоте США, дослужившись до звания капитана. Позднее он перешел на работу в Лабораторию военноморских сил США (Naval Research Laboratory, NRL). Его научную деятельность отличает разнообразие интересов, однако основным занятием стало конструирование разнообразных микроскопических устройств и приборов.

В настоящее время Д. Нагель руководит отделом конденсированных сред и радиационных исследований в NRL. Он является автором и соавтором более 150 статей, отчетов и книг по микроэлектромеханическим устройствам и смежным вопросам нанотехнологии.

Шарон Смит возглавляет исследовательское отделение известной фирмы Lockheed Martin в городе Бетеста (штат Мэриленд), где занимается разнообразной научно-технической деятельностью, связанной не только с наукой, но и с внедрением разработок в промышленное производство. Одновременно она руководит группой по изучению возможностей нанотехнологий. До этого Ш. Смит успешно работала во многих фирмах и организациях, связанных с организацией научных исследований, управлением производством и внедрением инновационных разработок в США и Европе. Она обладает огромным опытом и считается выдающимся организатором.

Шарон Смит является автором многих ценных публикаций, входит в состав Объединенного комитета по развитию нанотехнологий в штате Виргиния, а также в Совет по материаловедению национальной Академии наук. Имеет несколько научных степеней в различных областях химии.

Возникновение и развитие нанотехнологий оказало огромное воздействие на многие отрасли науки и техники, однако можно смело утверждать, что наиболее революционные изменения произойдут в производстве и использовании датчиков разных типов. Нанотехнологии создают для разработчиков, производителей и пользователей беспрецедентную возможность одновременно решать все основные задачи данной области, а именно – снизить вес и размеры изделий при уменьшении энергопотребления и повышении специфичности. В данной главе предлагается очень краткое описание возможностей (и, естественно, ограничений) новых технологий, основанных на обработке и использовании свойств вещества на размерах порядка нанометра (одна тысячная доля микрометра). Уже сейчас нанодатчики (включая и те, где возможности новых технологий используются лишь дополнительно) очень широко применяются в промышленности и науке, включая транспорт, медицину, коммуникации, строительство, проблемы обороны и национальной безопасности и т. п. Потенциальные возможности применения различных нанодатчиков представляются просто фантастическими, так как в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут вводиться в отдельные биологические клетки, что позволяет регистрировать, например, конкретное химическое или радиационное воздействие на организм астронавтов или следить за развитием болезни в отдельном органе пациента медицинской клиники [78] . Многие такие устройства сейчас раскручиваются инновационными компаниями, что привлекает внимание «большого бизнеса» как к самой нанотехнологии вообще, так и к коммерческим применениям нанообъектов и наноэффектов.

Огромную роль нанотехнологий в области создания и использования различных датчиков легко понять, если вспомнить, что механизм действия практически всех используемых на практике химических и биологических датчиков основан на регистрации какого-либо взаимодействия на атомномолекулярном уровне. Вообще говоря, нанотехнология сводится к возможности создавать новые функциональные материалы, устройства и целые системы, а также использовать атомно-молекулярные процессы или физические эффекты для практических целей [79] .

Нанотехнологии можно рассматривать в качестве очередного этапа развития науки, направленного к созданию более мелких, более быстрых и более дешевых материалов и устройств. В свое время стремление к миниатюризации технических устройств привело к развитию микротехнологий (читатель может вспомнить поразительное уменьшение электронных, оптических и механических приборов за последние десятилетия), результатом чего, кстати, стало бурное развитие производства датчиков и измерительных устройств самого разного типа. Следующим, современным этапом процесса миниатюризации стало использование интегральных схем, оптоволоконной техники и так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС). В настоящее время нанотехнологии ставят перед исследователями и производственниками еще более интересные и сложные задачи, связанные с дальнейшим уменьшением масштабов действия и процессов, что обещает существенный прогресс в науке и технологии.

Общая тенденция к уменьшению размеров строительных «блоков» привела науку к использованию в качестве таких элементов отдельных молекул и даже атомов, что означает, кстати, сближение и слияние технологических процессов разного типа. В этой связи стоит отметить, что в настоящее время наблюдается сближение или синтез различных научных дисциплин, общий смысл которого пока трудно уловить (например, мы наблюдаем явное объединение нанотехнологий, биотехнологий и информационных технологий в единое целое). Такое «перекрывание» и наложение наук должно приводить, как говорят физики, к синергическому эффекту, то есть их взаимодействию, усилению и созданию новых возможностей технологического развития.

14.1. Возможности

Интерес к нанотехнологиям возник в результате нескольких фундаментальных научных достижений конца XX века, первым из которых следует считать прямую возможность точной манипуляции отдельными атомами, ставшую возможной после создания так называемых атомно-силовых зондовых (или сканирующих) микроскопов (SPM). Следующим важным фактором развития новой науки стала возможность синтеза или производства в больших количествах наночастиц, или нанокластеров определенного вида (например, серебра или золота). В дальнейшем общее внимание к наноматериалам и устройствам на их основе привлекло то, что новые вещества и структуры проявляли совершенно неожиданные свойства, связанные с квантовыми и поверхностными эффектами. Наглядными примерами таких научно-технических «сюрпризов» стали абсолютно непривычные новые объекты типа квантовых точек с неожиданными оптическими свойствами и т. п.

Другим важным достижением в этой области стал синтез так называемых углеродных нанотрубок (CNT), представляющих собой очень узкие пустые цилиндры, образованные сеткой углеродных атомов. Уже синтезировано множество типов таких однослойных и многослойных CNT, потенциальные возможности которых кажутся совершенно фантастическими. Даже представленные на рис. 14.1 структуры из самых простых однослойных углеродных нанотрубок могут (в зависимости от структуры и точной ориентации атомов углерода) являться либо проводящими (как металлы), либо полупроводниковыми материалами. Учитывая то, что свойства CNT могут дополнительно регулироваться условиями роста, конкретными схемами соединения и т. п., понятно, что они представляют собой новый класс уникальных материалов для полупроводниковой техники вообще и для датчиков в частности. Углеродные нанотрубки находят самое неожиданное применение как в качестве независимых элементов структуры, так и в сочетании с другими, уже известными элементами.

Рис. 14.1. Углеродные нанотрубки могут образовывать множество структур, способными быть и проводниками (металлами), и полупроводниками (рисунок предоставлен Центром НАСА имени Эймса, Моффет Филд, Калифорния)

Эти серьезные и весьма перспективные открытия привели к тому, что за очень короткое время (примерно с 1997 по 2003 год) финансирование нанотехнологий многократно увеличилось [80] . Стремительный рост капиталовложений продолжается, и значительную его часть составляют вложения в развитие и производство разнообразных датчиков. По некоторым оценкам, к 2009 году объем рынка датчиков с использованием нанотехнологий может составить около 0,6 миллиарда долларов [81] , а под другим – даже 2,7 миллиарда долларов в 2008 году [82] . Конкретные показатели в данном случае не очень важны, поскольку несомненно речь идет о действительно перспективной и бурно развивающейся отрасли промышленности, связанной с новейшими научно-технологическими разработками.

14.1.1. Неотвратимое объединение

Исторически мы привыкли рассуждать о технологиях, оперируя привычными представлениями о различиях между материалами, устройствами и системами. Между тем развитие науки и техники за последние десятилетия явно свидетельствует о том, что происходит некий процесс сближения (или слияния) различных типов технологий. Например, во многих современных приборах уже сейчас трудно провести границу между оптической и микромеханической частью устройства. Эта тенденция явно расширяется, так как новейшие технологии (особенно в микроэлектронике) все чаще позволяют придавать некоторые требуемые свойства непосредственно в печатных схемах или материалах подложки, то есть «вводить» их внутрь устройства, что размывает по смыслу классические представления о различии между материалом и изготовляемым из него изделием. В так называемых микроэлектромеханических системах (МЭМС) используются весьма сложные и многофункциональные так называемые умные (или интеллектуальные) наноматериалы, которые часто и образуют то, что мы привыкли называть устройством. Как остроумно заметил один из основателей фирмы Nanosys Ларри Бок: «В нанотехнологии следует говорить о сложности не системы, а составляющего ее материала» [83] .

В настоящее время исследователи всерьез задумываются о том, какими новыми терминами и представлениями следует обозначать и описывать, например, процессы и явления, при которых нанометрические структуры (включающие в себя лишь очень небольшое число молекул и электронов) оказываются способны перерабатывать и хранить огромный объем информации. Для записи и получения информации иногда стали применяться методики, которые раньше использовались лишь для описания физического состояния отдельной молекулы (флуоресценция и т. п.) или даже положения отдельных звеньев полимерной цепочки. Эти принципиально новые подходы позволяют доводить плотность записи информации до фантастических пределов (1 триллиона бит на квадратный дюйм), которые не имеет смысла даже сравнивать с плотностью записи на современных магнитных носителях [84] .

Создание реальных технических устройств на этой основе представляет собой очень интересную задачу, но несомненным результатом внедрения новых методов станет массовое производство разнообразных «умных» и крошечных по размерам датчиков с ничтожным энергопотреблением. Процессы широкого внедрения нанодатчиков затронут многие области науки, техники, общественной жизни и т. п. Из наиболее очевидных областей применения можно отметить слежение за текущим состоянием самых разных систем (например, биологических или экологических), развитие космической техники и т. д.

Подготовка производства нанотехнологических датчиков естественным образом разделяется на отдельные задачи или этапы, включающие в себя получение необходимых материалов, изготовление или выращивание на их основе необходимых нанообъектов и, наконец, создание самого специфического датчика в виде конструкции с заданной функциональностью, правильной геометрией и т. п. Три указанных направления исследований (материалы, способы их обработки, создание самих датчиков) теоретически удобно описывать, пользуясь абстрактной трехмерной системой координат, показанной на рис. 14.2. При необходимости этот подход позволяет сводить в единое целое и анализировать разнородные данные по типам используемых материалов, методам обработки или синтеза и конкретным измерениям, осуществляемым датчиками. Положения точек в такой системе отвечают на основные вопросы любого производства (что? как? с какой целью?). Очевидно, что из определенного типа материалов можно изготовить разные виды датчиков, а требуемый параметр можно измерить различными датчиками на основе разных материалов.

Рис. 14.2. Схематическая связь между материалами, процессами их обработки и создаваемыми на этой основе датчиками

14.1.2. Методы обработки материалов

Читатель наверняка знаком с общим делением технологических процессов на нисходящие (сверху вниз) и восходящие (снизу вверх), поэтому мы не будем давать лишних пояснений. В последние десятилетия нисходящие технологии непрерывно развивались, что и привело к созданию микротехнологий, естественным образом переходящих в нанотехнологии. В настоящее время наиболее развитые технологии этого типа используются в электронике и позволяют создавать очень сложные интегральные схемы, используя литографию, травление и технику осаждения. Постепенно совершенствуя эти классические технологии, специалисты микроэлектроники добилась фантастических успехов. Достаточно упомянуть, что толщина «проводов» в современных микросхемах уже достигла 100 нанометров и продолжает уменьшаться. Миниатюризация сверху вниз используется и при создании весьма популярных сейчас МЭМС, причем очень часто новые устройства используются именно для дальнейшей миниатюризации деталей (подобно тому как на обычном токарном станке создаются детали для сборки значительно более мелких устройств).

Нанотехнологии вообще возникли в результате совершенствования и развития методов и процессов сверху вниз, которые дошли до своего практического предела, когда предметом манипуляций стали отдельные атомы и молекулы. Стоит вспомнить, однако, что в природе существуют и разнообразные восходящие (снизу вверх) процессы и методики, наиболее распространенной из которых является молекулярная самосборка (самоорганизация), когда при определенных условиях атомы и молекулы сами объединяются в более крупные структуры [85] . Это заставило ученых и технологов задуматься о возможности организации производства на основе самосборки или так называемой направленной сборки на атомномолекулярном уровне [86] . Регулирование таких процессов является исключительно сложной научно-технической задачей, поскольку требует от исследователя умения «выращивать» вещество требуемого вида в геометрически правильной форме и в заданных местах. Существует и возможность сочетания нисходящих и восходящих технологий, что дает проектировщикам дополнительные возможности для создания материалов, устройств и инструментов. Кроме того, при создании новых видов датчиков могут комбинироваться технологии разного уровня (например, микро– и нано-) или типа.

14.1.3. Разнообразие наноматериалов

Использование наноматериалов и структур предоставляет конструкторам много принципиально новых возможностей для создания датчиков, что обусловлено, прежде всего, следующим важным обстоятельством, имеющим прямое отношение к нанотехнологиям вообще. Строго говоря, большинство практически используемых датчиков (особенно химических и биологических) по своему назначению должны осуществлять две (в сущности, разные) задачи, а именно – выявлять в окружении молекулы определенного типа и каким-то образом преобразовывать полученную информацию (то есть сам факт выявления) в некий сигнал, передаваемый или регистрируемый достаточно просто и быстро. Нанотехнологии позволяют исследователям совершенно по-новому решать обе эти задачи, что предоставляет разработчикам неожиданные возможности, принципиально превосходящие те, которые предоставляли МЭМС и другие типы микродатчиков.

В связи с этим стоит отметить и то, что в нанотехнологиях пока (в силу молодости новой науки!) используются в основном лишь химически однородные типы материалов или структур. Ситуацию можно уподобить еще недавно существовавшей в обычном материаловедении, до появления так называемых композиционных материалов, представляющих собой сочетание разнородных физико-химических компонент или веществ (типа армированных стеклопластиков и т. д.). Нет никаких препятствий к созданию, изучению и использованию в будущем различных сочетаний разнородных наноматериалов. Как и в случае обычных, объемных материалов и веществ, мы можем получить большое число новых материалов (зачастую с неожиданными характеристиками), просто комбинируя имеющиеся вещества. Разумеется, число комбинаций стремительно увеличивается при создании композиций из возрастающего числа веществ, однако даже для двух типов материалов количество возможных сочетаний выглядит внушительно, что и показано на рис. 14.3. Увеличение числа используемых веществ одновременно создает новые возможности для физико-химической обработки материала и его потенциального применения, поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы мы станем свидетелями создания разнообразных композиционных материалов, разрабатываемых специально для производства нанодатчиков с новыми функциями и возможностями.

Рис. 14.3. Возможные бинарные сочетания различных нанообъектов при создании композиционных материалов. В верхнем ряду представлены так называемые нульмерные (0-D) наноматериалы, во втором – одномерные (1-D), в третьем – двухмерные (2-D), а в нижнем – трехмерные (3-D). Сочетания этих объектов позволяют теоретически говорить о 28 возможных типах композиционных материалов

14.1.4. Новые типы инструментов и приборов

Отдельного рассмотрения заслуживает следующий аспект развития нанотехнологий вообще и датчиков в частности. В настоящее время благодаря развитию и применению новейших физических методов (типа синхротронного излучения и ядерного магнитного резонанса) можно легко установить структуру многих сложных молекул. Проблема состоит в том, что простое знание об атомарной структуре на наноуровне является зачастую недостаточным, поскольку для исследований (и для работы датчиков в особенности) необходимо оценить степень взаимодействия атомов и обеспечить преобразование полученной информации в выработку соответствующего сигнала, вызывающего срабатывание датчика, и т. д. Определение сил взаимодействия на атомно-молекулярном уровне является очень сложной задачей, поскольку их пока невозможно определить экспериментально, а можно лишь рассчитать, используя весьма сложные программы и алгоритмы. Поэтому новейшие типы нанотехнологических датчиков могут работать лишь при условии существенной «поддержки» в виде достаточно мощных компьютеров с соответствующим программным обеспечением. Уже сейчас в нанонауке широко используются вычислительные методы молекулярной динамики, квантовой химии и т. п., а в будущем такие методы могут стать важным средством создания разнообразных датчиков, основанных на использовании нанотехнологий [87] .

14.2. Реальное состояние исследований в настоящее время

Всеобщий ажиотаж относительно блестящих перспектив нанотехнологий не должен скрывать того простого факта, что разработка и внедрение нанодатчиков требуют от исследователей решения еще очень многих сложных проблем. Некоторые из них относятся к конкретным научным задачам (в физике, химии, биологии и т. д.), а некоторые – к техническим, производственным и организационным. Например, любое использование наноустройств подразумевает их совмещение с уже существующими макроскопическими устройствами и приборами для обеспечения контроля над потоками вещества, энергии и информации. Даже простая калибровка нанодатчиков (или наноустройств вообще) представляет собой трудную задачу, поскольку речь идет об анализе очень небольшого количества измеряемых или реагирующих веществ. Кроме того, нельзя забывать, что общие размеры новых датчиков будут определяться не самими измерительными структурами и устройствами (которые при использовании нанотехнологий являются пренебрежимо малыми), а размерами сопутствующего и вспомогательного оборудования, в которое по-прежнему должны входить какие-то запоминающие и вычислительные устройства, радиочипы и (что особенно важно!) источники питания и антенны. С этими проблемами уже давно сталкивались разработчики микродатчиков, и использование нанотехнологий в некоторых случаях лишь усложнило их решение и показало сложность возникших задач.

14.2.1. Реальные проблемы проектирования нанодатчиков

Как отмечалось чуть выше, многие проблемы развития нанодатчиков просто повторяют те, с которыми разработчики сталкивались и продолжают сталкиваться при создании устройств, которые раньше именовались мини– или микродатчиками. В первую очередь речь идет об обеспечении интерфейса, то есть переходника между микроскопическим устройством и макроскопической системой регистрации. Наличие любого интерфейса автоматически подразумевает существование потоков (в термодинамическом смысле) электрических, механических, химических и других величин, не говоря уже о «шумах», связанных с процессами переноса. Работа любого датчика основана именно на регистрации таких потоков, поэтому, естественно, проблема детектирования особенно усложняется, когда они являются очень слабыми, то есть когда речь идет о регистрации ничтожных химических, электрических или акустических сигналов. Часто исследователям при регистрации сигналов от очень малых систем приходится применять крупногабаритное оборудование, позволяющее немного снизить уровень шумов (например, за счет понижения температуры и т. п.).

Анализ состава и состояния потоков особенно важен для химических и биологических датчиков, действие которых основано на быстром опознавании и регистрации состава сложных газовых и жидких сред. Разработчики таких устройств постоянно озабочены тем, что высокочувствительные и тщательно «спланированные» на наноуровне регистрирующие поверхности (именно они выступают часто в качестве интерфейса) могут легко разрушаться не только под воздействием регистрируемых соединений, но и просто под воздействием температуры, внешнего давления и т. п. С другой стороны, нанотехнологии предлагают уникальную возможность создания и практического использования огромного числа датчиков широкого профиля, то есть создание распределенной системы, в которой часть нанодатчиков может постоянно уничтожаться в процессе эксплуатации (образно говоря, погибать) без снижения эффективности общей способности системы к отслеживанию ситуации.