«МОНОГРАФИЯ Москва 2009 УДК ББК Н Авторский коллектив: С.Ю. Глазьев, В.Е.Дементьев, С.В. Елкин, А.В. Крянев, Н.С. Ростовский, Ю.П. Фирстов, В.В. Харитонов Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада ...»

Логика конкурентного развития современной микроэлектроники, являющейся основой микропроцессорной техники, заставляет производителей повышать быстродействие процессоров, увеличивать емкость памяти, уменьшать габариты устройств и удешевлять их. Поскольку основные технические характеристики электронных приборов во многом определяются размером электронных компонентов, их минимизация стала генеральным направлением технологической траектории развития микроэлектроники (рис. 3.9 – 3.11), охватившим все составляющие технологического процесса – литографическое оборудование, включающее эксимерный лазер, оптическую систему переноса изображения, систему позиционирования, сканирования и совмещения пластины и фотошаблона. Более сорока лет общая тенденция определялась так называемым законом Мура (Гордон Мур – один из основателей Intel), в соответствии с которым плотность компонентов интегральных электронных схем возрастала вдвое за каждые полтора года (соответственно размер схемных элементов уменьшался вдвое). В результате в начале XXI века этот размер вошел в нанообласть (достиг 100 нм), а к 2020 г. должен ее покинуть, достигнув размеров в несколько атомов (см. рис. 3.7). Рубежом перехода этой технологической траектории к шестому технологическому укладу следует считать освоение диапазона экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм (рис. 3.12).

Особенностью вхождения электронной промышленности в нано уровень является множество одновременных новаций в разработках материалов, конструкции интегральных схем, методах производства и др. Развитие электронной промышленности в целом определяется технологическими возможностями крупных корпораций, интегрирующих весь спектр технологий и применений как целое. Поэтому, можно считать, что степень влияния наноэлектроники определяется числом крупных компаний в ядре мировой электронной промышленности, перешедших на технологические нормы нано-диапазона (табл. 3.3).

Крупные компании в ядре мировой электронной промышленности, перешедшие на технологические нормы нано-диапазона Наименование компании Освоенная технология, нм.

Технологическая сопряженность уже сложившихся производств обуславливает синхронизацию взаимодополняющих и взаимоподдерживающих друг друга нововведений. Например, выпуск небольшого объема микросхем для суперЭВМ позволяет создать вычислительные средства для САПР авиастроения и судостроения.

Это, в свою очередь, создает возможность проектирования сложной аппаратуры и, значит, повышает спрос на БИС. Такого рода обратные связи с сильным положительным эффектом формируют траекторию роста нового технологического уклада. Хотя переход к новому технологическому укладу влечет за собой закрытие старых производств, строительство новых заводов, обеспечивает рост производства и подъем экономической активности. Так, некоторые западные фирмы (Аналог Дивайсиз, Интел и др.) закрывают большое число старых заводов и строят новые в разных странах. Технологическое обновление сопровождается быстрым ростом показателей эффективности и интенсивности производства одновременно с повышением его капиталоемкости (рис. 3.13, 3.14 и табл. 3.4).

Цены производства БИС в новых технологиях при массовом выпуске и в начале освоения небольшими партиями [3.75] технологии, нм производстве, долл. партий, долл.

Динамика развития и распространения нанотехнологий в электронной промышленности наглядно иллюстрирует логику формирования технологической траектории ядра нового технологического уклада. Если в начальной фазе его жизненного цикла, когда сфера применения нанотехнологии весьма ограничена, а соответствующая технологическая база только формируется, затраты на инвестиции в создание производственных мощностей невелики, то по мере развертывания технологической траектории быстро растут объемы как производства, так и инвестиций, резко поднимается эффективность производства, позволяя финансировать дальнейшее развитие. При этом лидеры быстро наращивают технологическое превосходство, а вход нанотехнологии в данную технологическую траекторию для новичков оказывается все более дорогостоящим и экономически рискованным.

Светодиоды. Производства нового технологического уклада, как правило, на порядок менее энергоемкие и материалоемкие, чем предыдущего уклада. Типичным примером быстрого повышения эффективности энергопотребления по мере роста нового технологического уклада является распространение светодиодов в светотехнике. Светодиод – полупроводник, работа которого основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход полупроводника.

Напомним, что p-n-переход – это зона контакта двух полупроводников с разными типами проводимости: один с избытком электронов – «n-тип», второй с избытком дырок – «p-тип». Состав материалов, образующих p-n переход, определяет тип излучения. В светодиодах используются полупроводниковые гетероструктуры на основе соединений алюминия, галлия, индия, фосфора и азота (AlGaInP, InGaN). В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Как источники «цветного» света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) – это исторически первые гетероструктурные приборы, широко используемые на практике.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED – Light Emitting Diode) стали очень привычными изза их распространенного использования в качестве миниатюрных индикаторов в аудио- и видеоаппаратуре и бытовой технике. Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств. Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов декларируют срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для стоп-сигналов).

В ближайшее десятилетие мы станем свидетелями смены парадигмы в светотехнике – светодиоды все увереннее вытесняют лампы накаливания, ряд стекольных производств фирм Osram и Philips, выпускавших лампы накаливания, уже закрыт. Производство и использование традиционных ламп накаливания будет запрещено в Великобритании и Австралии уже в 2009 г., в США и Японии – в 2010 г. Канада, Израиль и Евросоюз в ближайшие годы полностью откажутся от лампочек накаливания и перейдут на энергосберегающие светильники. Устранен последний барьер на этом пути: согласованы стандарты энергосбережения в жилых домах. «Если весь мир последует нашему примеру, это позволит снизить количество потребляемой электроэнергии в пять раз, соответственно уменьшить выбросы парниковых газов и снизить плату за электроэнергию», – сказал австралийский министр, выступая по телеканалу Nine Network. Уже несколько лет подряд правительство Канады присылает жителям купоны на скидку при покупке энергосберегающих ламп.

Светодиоды находят все более широкое применение: светофоры и активные дорожные знаки, автомобили, подсветка сотовых телефонов, световая реклама, полноцветные светодиодные дисплеи и многое другое. Светодиодные цветодинамические системы, легко программируемые при помощи пульта или персонального компьютера, применяются в архитектурном и ландшафтном освещении.

Если заглянуть в будущее, освещение светодиодами превращается в создание светоцветовой среды с полностью управляемыми пространственными, яркостными и цветовыми параметрами. Подобно компьютерной графике, проектирование такой среды превращается в программирование.

В начале своего жизненного цикла светодиоды уступали по показателям эффективности традиционным источникам света. Световая эффективность, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт) – характеризует эффективность преобразования электрической энергии в свет. Обычные лампочки накаливания работают в диапазоне 10 – 15 лм/Bт, современные люминесцентные лампы – 90 лм/Вт, натриевые лампы высокого давления – 132 лм/Вт. Несколько лет назад стандартная величина эффективности светодиодов была приблизительно 30 лм/Bт. Но уже к 2006 г. эффективность светодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Cree (США), продемонстрировала показатель 70 лм/Вт, фирма Nichia (Япония) анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт [3.76]. Технологическая траектория совершенствования светодиодов намного опережает другие источники света по эффективности преобразования электроэнергии в свет (рис. 3.15).

Основными производителями светодиодов и приборов на их основе выступают компании Японии (Nichia Chemical, Toyoda Gosei) и США (Lumiled, Cree). Быстрыми темпами растет производство светодиодов в странах Юго-Восточной Азии, прежде всего на Тайване, в Южной Корее и в Китае. Российский рынок светодиодов сегодня составляет около 100 миллионов СИД в год, и более половины из них покупаются за рубежом. Основные препятствия развития светодиодных технологий в России – это полное отсутствие роста промышленного производства светодиодных гетероструктур и практически полное отсутствие современных технологических линий для изготовления чипов. В нашей стране несколько предприятий занимаются сборкой светодиодов на основе импортных кристаллов: ОАО «ОКБ «Планета»» (Новгород), ЗАО «Протон»

(Орел), ЗАО «Корвет-Лайтс» (Москва). Изготовление чипов СИД на основе нитрида галлия начато в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» (Санкт-Петербург).

Несмотря на имеющиеся преимущества светодиодов и высокие темпы роста их производства, до сих пор процент перехода на светодиодные лампы невелик – менее 15 %. Главная причина – высокая цена. Отношение доллар/люмен для обычной лампы накаливания – приблизительно 0,001. А сверхъяркие светодиоды в настоящее время могут достигать лишь отношения 0,05доллара за люмен. Резкое увеличение объема продаж и более широкое внедрение светодиодов в практику освещения возможно только при снижении этого показателя значительно менее 1 евроцента на один люмен. Ожидается, что цена на светодиоды будет уменьшаться на 20 % после каждого удвоения их эффективности [3.77].

История светодиодов восходит к 1923 г. Тогда наш соотечественник О.В. Лосев, проводя радиотехнические исследования, заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами. При этом разогрева элементов конструкции не было, свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Однако первые светодиоды появились в 1962 г., а в 1968 г. – первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett-Packard. В начале 1990-х годов появились яркие светодиоды красного, оранжевого и желтого свечения и позднее, синие, зеленые и белые светодиоды. В 1993 г. светодиоды освоили практически весь видимый цветовой спектр.

Впервые в мировой практике для подсветки живописи в музее (для освещения картины Леонардо да Винчи «Мона Лиза») был создан уникальный осветитель на светодиодах. Он разработан российскими специалистами компании «ФАРОС-АЛЕФ». Из-за ограниченности времени к реализации прибора кроме компании «ФАРОС-АЛЕФ» был привлечен ряд европейских фирм – INGELUX (Франция), FRAEN (Италия), DEF (Италия), объединившихся вокруг фирмы SKLAЕR (Германия), которая обеспечила координацию исследований, процессов разработки конструкции и системы управления световым пучком, изготовления образцов и отладки осветителя [Источник: Журнал nightshine.ntt/2007/12/29].

За последние годы при темпах роста, превышающих 30 % в год, мировой рынок светодиодов в 2007 г. достиг уровня в 3 – 4 миллиарда долларов. По оценкам компании Strategies Unlimited, изучающей рынок светодиодов объем рынка светодиодов достигнет $ 5. миллиардов к 2015 г.

К числу крупнейших потенциальных рынков светодиодов высокой яркости относится рынок освещения. На долю освещения приходится около 16 % всей производимой в стране электроэнергии.

Принципиальным моментом является тот факт, что наряду с немногими производителями в мире Россия владеет технологией изготовления светодиодов сверхвысокой яркости, непосредственно использующихся для освещения жилья. Научную базу технологии составили исследования российских специалистов, выходцев из ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В случае замещения ламп в различных светильниках на светодиоды к 2012 г. мировой рынок светодиодной светотехники может превысить 60 млрд долл. в год. Российский рынок к этому моменту может достичь 70 млрд рублей. И продукция отечественной наноиндустрии должна играть на нем определяющую роль.

Наноэлектромеханические MEMS-системы. Наиболее быстро растущей частью полупроводниковой отрасли становится рынок микроэлектромеханических систем (MEMS – Micro Electro Mechanical Systems) [3.79, 3.80]. Эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines). Микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине.

В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем. Новые возможности для MEMS-систем открывают нанотехнологии.

Движимый MEMS-технологиями сектор оптоэлектроники, сенсоров и дискретных компонентов по темпам роста заметно опережает сектор интегральных схем. Среднегодовой рост сектора в течение ближайших пяти лет ожидался на уровне 15 %. В начале 2008 г. прогнозировалось, что к 2012 г. рынок MEMS-систем может превысить 66 миллиардов долларов США, что составит 15 % от всего рынка полупроводников. До недавнего времени автомобильная электроника была главной движущей силой MEMS-рынка. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетсская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 г., сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности; цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал; за последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения – короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако, согласно оценкам экспертов, акцент постепенно смещается в сторону производства устройств для потребительского сектора, например, акселерометров и гироскопов для пультов дистанционного управления игровых консолей. Резко возрастет количество MEMS-устройств в составе дорогих мультимедийных телефонов и переносных накопителей на магнитных дисках, где они, как правило, обеспечивают работу систем стресс-защиты, улавливая опасные для жизни устройства ускорения. Сейчас наиболее востребованы такие MEMSустройства, как сенсоры ускорения в мобильных телефонах, портативных ПК и игровых приставках. MEMS-устройства также задействованы для защиты жестких дисков от повреждений при падении, а в ноутбуках – для отключения в случае воровства. Развиваются MEMS-устройства оптических коммутаторов для оптоволоконных телекоммуникационных систем. MEMS-технология в настоящее время является самой передовой и перспективной технологией производства СВЧ-устройств [http://www.chipinfo.ru].

СВЧ-электроника. Аналогичным образом развитие промышленности средств связи привело к прогрессу в СВЧ-электронике на основе использования наноразмерных гетероструктур, обеспечивающих создание самых высокоскоростных трехэлектродных твердотельных приборов, и доминирующих в системах связи, радиолокации, СВЧ-радиометрии, навигации, в устройствах для борьбы с терроризмом, а также современных электронных средств вооружений (бортовых и наземных радиолокаторов, средств радиоэлектронной борьбы и т.д.). Достижение минимального размера элемента (длины затвора транзистора) значения 30 – 50 нм обеспечило качественный скачок – создание СВЧ-приборов с диапазоном частот свыше 1000 ГГц, которое можно считать рубежом перехода к шестому технологическому укладу.

Переход в СВЧ-наноэлектронике от субмикронных транзисторов (MESFET-транзисторов, MESFET-metalized semiconductor fieldeffect transistor, полевой транзистор с затвором Шоттки) к гетероструктурным нанотранзисторам (НЕМТ-нанотранзисторам) ознаменовал не простое «механическое» масштабирование транзисторных характеристик, а качественный переход: от классического электронного газа к квантовому двухмерному электронному газу, и от квазиравновесного электронного транспорта к бесстолкновительному баллистическому транспорту [3.81, 3.82]. В СВЧ-устройствах это обеспечило многократное увеличение быстродействия, переход от сантиметрового диапазона длин волн к миллиметровому и субмиллиметровым диапазонам, и, соответственно, увеличение скоростей и объемов передаваемой информации в системах связи и радиолокации, разрешающей способности в радиолокации. Россия является родиной одного из наиболее значимых достижений – полупроводниковых наногетероструктур, за которые академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

Последние достижения СВЧ-наноэлектроники в мире включают: гетероэпитаксию наноструктур с толщинами слоев до 15 нм, нанолитографию формирования затворов транзисторов с базой менее 100 нм и другие операции изготовления нанотранзисторов;

транзисторы на наногетеросистеме с квантовыми ямами с использованием полупроводников на основе соединений индия, алюминия, галлия, фосфора, мышьяка (InAlAs/InGaAs/InAlAs/InP) с предельной частотой усиления по мощности 190 ГГц, транзисторы на наногетеросистеме с квантовыми ямами AlGaAs/InGaAs/AlGaAs/GaAs с рекордно низким коэффициентом шума 0,37 дБ на частоте 12 ГГц, транзисторы на широкозонной гетеросистеме AlGaN/GaN с рекордно высокой частотой усиления 107 ГГц, ряд других типов транзисторов, а также результаты разработок СВЧ-монолитных (объемных) интегральных схем на нанотранзисторах. Как подчеркивает В. Г. Мокеров, «степень развитости данной технологии, тем более – в эпоху информационной революции – характеризует не только научный, экономический и оборонный потенциал страны, но и степень развитости и цивилизованности государства в целом» [3.82].

Сейчас в гетероструктурной СВЧ-технологии наиболее перспективны два направления [3.82]. Первое – это широкозонные гетеросистемы на основе нитрида галлия GaN и твердых растворов AlGaInN. У нитрида галлия ширина запрещенной зоны ~ 3,4 эВ, т.е.

в 2,5 раза больше, чем у GaAs. Поэтому максимальная выходная мощность приборов на нитридах на порядок выше, чем в транзисторах на GaAs. Именно с этим направлением и связывают грядущую революцию в «твердотельной» радиолокации на активных фазированных антенных решетках (АФАР). К сожалению, гражданский сегмент рынка для отечественной СВЧ-гетероэлектроники пока отсутствует.

Второе направление, которое также стремительно развивается, базируется на изоморфной и псевдоморфной гетеросистемах InAlAs/InGaAs, выращиваемых на подложках InP. Транзисторы на этих гетероструктурах – самые высокоскоростные из всех существующих в мире твердотельных трехэлектродных приборов. Их рабочие частоты уже перешагнули за 100–200 ГГц и приближаются к субмиллиметровому диапазону. На гетеросистеме InAlAs/InGaAs с использованием 50-нм технологии за рубежом сейчас разрабатываются самые высокоскоростные оптоволоконные линии связи – до 100 Гбайт/с и выше.

Объем мировых продаж только самих гетероструктурных транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) уже приблизился к 7 – 8 млрд. долларов в год, ежегодно увеличиваясь более чем на 30 % [3.84]. По всем прогнозам, рынок этих изделий в ближайшие 12 – 15 лет будет оставаться наиболее привлекательным для инвестиций. Наиболее массовой областью применения технологии наногетероструктр является сотовая связь. Она занимает около 57 % «гетероструктурного» рынка – гетеротранзисторы содержит почти каждый сотовый телефон. Около 23 % рынка занимает быстропрогрессирующая высокоскоростная волоконно-оптическая связь, потребляющая гетероструктурные МИС на частоты до 60 ГГц и выше. Около 12 % рынка принадлежит так называемой потребительской электронике, связанной с цифровым ТВ (частоты от 12 до 30 – 40 ГГц). Кроме того, быстро растет рынок гетероструктурных МИС на частоты 70 – 77 ГГц для автомобильных радаров (системы предотвращения столкновений), а также рынок СВЧ МИС для спутниковой связи на частоты до 60 ГГц. Перспективно применение гетероструктурной СВЧ-электроники и в беспроводных системах широкополосного доступа в диапазоне 40 – 60 ГГц и выше (например, системы стандарта IEEE 802.16). До 4 % рынка гетероструктур занимает военная электроника. В основном это бортовые и наземные радиолокаторы на активных фазированных антенных решетках Х-диапазона (около 10 ГГц). Жизнь показывает, что там, где требуются рабочие частоты выше 4 – 5 ГГц, наногетероструктурная технология быстро вытесняет кремниевую и классическую GaAs MESFET-технологию, завоевывая все большую долю мирового телекоммуникационного и радиолокационного рынка.

В России современной промышленной гетероструктурной технологии пока нет – ни в части массового производства наногетероструктур, ни в части производства гетеротранзисторов, и тем более – микросхем. Сквозного, унифицированного и лицензированного СВЧ САПР также нет. Коммерческий рынок в стране не сформирован, доминирует оборонный госзаказ. То есть ситуация близка к тому, что было за рубежом в 80-х годах.

Лазерная техника. Базовым изобретением в этой области, определяющим переход к шестому технологическому укладу, следует считать создание высокоэффективных лазеров, использующих гетероструктуры с наноразмерными слоями – с квантовыми ямами и квантовыми точками (см. рис. 3.16, 3.17). В России основные исследования в этом направлении ведутся в Физико-техническом институте (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), а также в Институте физики полупроводников (Новосибирск). Использование нанотехнологий позволяет качественно улучшить и поднять эффективность изготовления полупроводниковых лазеров, светодиодов и осветительных систем на их основе.

Полупроводниковые лазерные диоды относятся к числу наиболее сложных гетероструктурных приборов [3.84 – 3.86]. Только наиболее передовые в технологическом отношении государства (США, Япония, Германия, Франция, Южная Корея, Тайвань) располагают полным технологическим комплексом, достаточным для производства различных типов таких приборов. Области применения полупроводниковых лазеров весьма разнообразны: оптические устройства записи, хранения и считывания данных, системы волоконно-оптической связи, системы накачки твердотельных лазеров, датчики различного типа, медицина и т.д. Например, использование электромагнитного излучения терагерцового диапазона безвредно для человека. Поэтому при создании соответствующих систем управления терагерцовым излучением и регистрации изображений можно строить эффективные системы интровидения (интроскопии) взамен рентгеновских, а также системы локации и д.р.

В России, несмотря на сложности финансирования, сохраняется научный паритет с развитыми странами на всех основных направлениях разработки лазерных диодов. Он выражается в достижении параметров мирового уровня (в том числе – рекордных) для приборов, изготовленных в условиях мелкосерийного или лабораторного производства. Некоторое отставание наблюдается в области разработки приборов, излучающих в диапазоне менее 700 нм, что обусловлено практически полным отсутствием интереса к таким изделиям на российском рынке и высокой конкуренцией дешевых приборов на рынке международном. Полный цикл производства полупроводниковых лазеров сохранился на таких российских предприятиях, как НИИ «Полюс» (Москва), «Инжект» (Саратов) и НПО «Север» (Новосибирск). Дополнительно к этому, ряд малых предприятий располагает технологией сборки и корпусирования кристаллов полупроводниковых лазеров (например, в СанктПетербурге – компании «ФТИ-Оптроник», «Полупроводниковые приборы» и др.) [3.84]. Общий российский рынок лазерных диодов оценивается в 8 – 12 млн. долл. в год при ежегодном приросте 8 – 10 %, что соответствует общемировым тенденциям. Для организации отечественного производства полупроводниковых лазерных диодов в промышленных масштабах в первую очередь необходимо найти внутренних и внешних потребителей, готовых в достаточных масштабах использовать эту наукоемкую продукцию.

Применение наночастиц и полупроводниковых нанопроводов позволило создать сверхкоротковолновые лазеры (нанолазеры), обещающие увеличение плотности оптических дисков в десятки раз. Коротковолновый лазер с длиной волны 5 – 50 нм может найти свое применение в новых видах оптической микроскопии и литографии высокого разрешения, необходимой для создания микро- и наноэлектроники нового поколения. Кроме того, этот диапазон ультрафиолетового света очень перспективен в спектроскопических методах анализа вещества. Устройства хранения данных (информации) ждет большое будущее. При смене красных лазеров, используемых сегодня для записи CD-систем, на нанолазеры плотность записи возрастет более чем в тысячу раз.

Фирма IBM является одной из компаний, пытающихся разработать на основе нанолазеров оптические компьютеры, которые заменят современные электрические компьютеры. В свою очередь оптические компьютеры являются отправным шагом к ещё более сложным квантовым компьютерам. Эти нанолазеры могут использоваться и в электрических компьютерах для преобразования электрических сигналов в оптические (и обратно) и для передачи информации в обычных оптоволоконных сетях на ещё более высоких скоростях.

Нанолазер, разработанный учеными из американской Национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratory), позволяет диагностировать рак на самых ранних стадиях заболевания (см. журнал Biomedical Microdevices, http://medportal.ru).

Молекулярная электроника. Как реальная альтернатива «кремниевой» электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более, что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры.

Компания Hewlett-Packard сообщила, что ей удалось создать память наибольшей на сегодняшний день плотности с электронной адресацией путем использования молекулярных решеток [http://www.osp.ru/cw]. По словам Стэна Уильямса, директора исследовательской лаборатории по квантовым технологиям HP Labs, это достижение можно считать настоящим прорывом в области электроники. Оно открывает дорогу к созданию сложных микросхем, размером в несколько молекул, совершенствование которых в дальнейшем позволит получить еще меньшие, более быстрые и дешевые устройства.

Пределом уменьшения размеров и энергопотребления и увеличения быстродействия в информационных системах, основанных на двоичной логике, является использование в качестве элементарной ячейки отдельных молекул, имеющих два стабильных состояния. Большинство работ по созданию новой нанотехнологической элементной базы информатики и электроники посвящено поиску и разработке элементов с двумя устойчивыми состояниями на основе молекул, нанокластеров или наночастиц. Основной проблемой является интеграция таких элементов, создание межэлементных связей, управление сигналами информационными потоками в таких системах. Молекулярные системы, действующие в биологических объектах, подсказывают, что наиболее эффективным методом объединения отдельных элементов в функциональную систему является самоорганизация молекулярных структур, основанная на взаимодействиях, которые значительно сложнее и в отдельности слабее классических электронных связей. К таким взаимодействиям относятся электростатические, гидрофобные, а также водородные связи.

Для стабилизации сложных наноструктур во многих случаях требуются многократные связи, которые являются основой кодировки информации внутри наноструктур. Одной из фундаментальных задач является понимание механизмов самоорганизации управления ее процессами для получения наноструктур с заданными свойствами.

Перспективным направлением развития электроники, определяющим прогресс информационных и телекоммуникационных технологий в ближайшие 10 – 20 лет, является переход от двоичной логики к нейросетевым методам обработки информации в непрерывных распределенных молекулярных и биомолекулярных средах с использованием в качестве носителей информации световых потоков. Оптические методы обработки информации на порядки производительнее методов, основанных на транспорте электронов, кроме того они упрощают решение проблем параллельной обработки информации и создание трехмерных функциональных структур. Функциональные возможности молекулярной фотоники позволяют реализовать значительно более высокую степень интеграции и быстродействие, недостижимые в традиционной микроэлектронике, создать новые архитектуры высокопроизводительных систем для обработки сверхбольших массивов информации, а также устройства хранения информации большой емкости. Разрабатываемые функциональные материалы позволят формировать нейросетевые интеллектуальные самообучающиеся системы адаптивного управления динамическими объектами.

Объединение достижений нано- и биомолекулярных технологий позволяет получить принципиально новые материалы для специализированной элементной базы нейрокомпьютеров и интеллектуальных робототехнических систем, способных к автономному обучению и успешной последующей работе в сложных условиях внешней среды.

За последние 10 лет активно развивались исследования в области термически необратимых синтетических фотохромных органических соединений, которые отличаются термической стабильностью исходной и фотоиндуцированной форм. Благодаря широким возможностям синтетической органической химии получены соединения этого типа с различными спектральными характеристиками исходной и фотоиндуцированной форм; реализующие фотоиндуцированные превращения не только в полимерных, но и в твердых расплавах. На базе синтетических фотохромных органических соединений во всем мире ведутся интенсивные исследования по созданию трехмерных структур для хранения информации повышенной емкости. В настоящее время созданы многослойные оптические диски с информационной емкостью 100 Гбайт.

Другой областью применения молекулярных систем на основе органических и неорганических соединений является разработка эффективных дешевых светодиодов во всем видимом спектре излучения, в том числе белого света, и создание на их основе сверхтонких гибких дисплеев и других устройств отображения информации, а также экономичных дешевых источников освещения для замены ламп накаливания.

В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. В ближайшем будущем они будут играть важную роль во многих приложениях. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль – нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.

Квантовые компьютеры. В начале XXI века в соответствии с законом Мура (см. рис. 3.9 – 3.10) размер схемных элементов компьютеров вошел в нанообласть (достиг 100 нм), а к 2020 г. должен достичь размеров в несколько атомов. Это будет означать качественное изменение поведения этих элементов – они будут представлять собой чисто квантовые объекты, описание которых дается квантовой механикой. Появление квантовых компьютеров, использующих такие необычные свойства, представляется неизбежным.

Более того, само развитие нанотехнологии кажется невозможным без использования квантовых компьютеров. Работа квантовых компьютеров основывается на манипуляции с когерентным квантовым состоянием системы, тщательно изолируемой от внешней среды, чтобы позволить базисным состояниям интерферировать друг с другом [3.87, 3.88].

Алексей Андреев, партнер венчурной фирмы Draper Fisher Jurvetson, опросил нескольких специалистов, работающих в области нанотехнологий, какой инструмент им более всего необходим для работы [3.63]. Они ответили, что только квантовый компьютер будет способен моделировать атомные взаимодействия и предсказывать, как та или иная архитектура будет действовать. Сегодняшние компьютеры с кремниевыми чипами не могут даже дать надежду на решение таких задач.

Причина в том, что описание многочастичных квантовых систем, которыми являются наноструктуры, требует вычислительного ресурса, объем которого растет экспоненциально с числом ее элементов. Так, для описания одной двухуровневой квантовой системы (например, спина в магнитном поле) требуется два комплексn ных числа, двух – 4, n спинов – 2. При n = 260 число состояний превышает 10 – число частиц во всей наблюдаемой Вселенной. То есть даже небольшие системы – ядра атомов лоуренсия и курчатовия как раз содержат около 260 нуклонов – требуют для своего описания колоссального ресурса. Квантовые компьютеры и призваны решить эту задачу моделирования квантовых систем.

«За последние 40 лет эффективность вычислений выросла в 100 000 раз, – отметил Стэнли Уильямс, Директор лаборатории квантовых исследований Hewlett-Packard Labs – и, похоже, нет физических ограничений для ее увеличения еще в миллиард раз. В определенном смысле можно сказать, что век вычислительной техники еще не наступил» [http://pcweek.ru]. Это означает, что биотехнология и нанотехнология будут способны уйти от эмпирической методологии к моделированию, ускоряя развитие нанотехнологий.

Квантовая теория вычислений и квантовая теория связи начинаются работами Чарльза Беннетта (IBM) и нашего соотечественника Александра Семеновича Холево, опубликованными в 1973 г.

Далее развитие этих работ идет нарастающим темпом. В 1997 г.

Джефф Кимбл (Caltech) реализует квантовый бит – кубит в виде магнитного момента ядра атома цезия. Группы Франческо де Мартини (Rome University) и Антона Зайлингера (University of Innsbruck) реализуют схемы квантовой телепортации. В 1998 г.

созданы первые двухкубитные квантовые устройства, основанные на использовании ЯМР-резонанса (Oxford, IBM, MIT, Stanford). В 2000 г. создано семикубитное квантовое устройство, основанные на использовании ЯМР-резонанса (LANL). Эдвард Фари, Джеффри Голдстоун, Сэм Гутманн и Михаэль Зипсер (MIT) выдвигают идею адиабатических квантовых вычислений. С 2005 г. предлагается множество физических реализаций кубитов в виде фотонов с квантовыми точками, фуллеренами и нанотрубками в качестве их ловушек.

В 2007 г. фирма Draper Fisher Jurvetson (DFJ), работающая в области нанотехнологий, и стартап D-Wave Systems (Ванкувер, Канада), образованная в 1999 Александром Загоскиным, представили 16-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах. Этот компьютер создан на основе новой парадигмы квантовых вычислений, основанной на адиабатической теореме квантовой механики. Система встречает скептический прием специалистов, однако на ее создание выделено 40 миллионов евро венчурного капитала. Группа, включающая институт Макса-Планка, Венский университет, Австрийский институт оптики и квантовой информации и др. устанавливает квантовую связь между двумя Канарскими островами (Ла Пальма и Тенерифе), расстояние между которыми – 144 км. В 2008 г. D-Wave представила 28-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах и обещала в конце года создать 1024-кубитную модель.

Непрерывно растет финансовая поддержка этих работ. В 2005 г.

стартовал Pathfinder Project «Квантовая обработка информации и связь», определивший Европейскую дорожную карту для многих групп исследователей. По публикациям в области квантовой информатики Европа идет вровень с США. Мало отстает от них и Австралия. Но США инвестирует в квантовую информатику около 100 миллионов долларов в год.

Считается, что наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двухмерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов.

Спинтроника. Твердотельная электроника второй половины ХХ в. была основана на переносе заряда электронов и управлении им при помощи электрических и магнитных полей. В конце века возникло и стало быстро развиваться новое направление, активно использующее то обстоятельство, что электрон, помимо заряда, обладает сугубо квантово-механической характеристикой – собственным угловым моментом (спином) и связанным с ним магнитным моментом. Это новое научное и технологическое направление получило название "спиновая электроника", или "спинтроника".

Cпинтроника – устоявшийся термин, относящийся к области квантовой электроники. Существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics); электроника, основанная на спине (spin-based electronics); или просто спинэлектроника (spin-electronics) [Жувикин Г. Спинтроника. "Компьютерра" №3 от 25 января 2005 года.

http://offline.computerra.ru/2005/575/37385].

В спинтронике изучаются и эксплуатируются магнитные потоки, сильно напоминающие по своим свойствам электрические. Однако такие потоки, в отличие от электрических, не выделяют тепло [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, Э.М. Эпштейн. Как ток спины переносит. Спинтроника многослойных ферромагнетиков. Природа, № 5, 2007 г.; Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн. Спинтроника: обменное переключение ферромагнитных металлических переходов при малой плотности тока. УФН, т. 179, № 4]. Интерес исследователей к спиновой электронике возник в связи с открытием в 1988 году гигантского магниторезистивного эффекта (GMR-эффект), или гигантского магнитосопротивления (ГМС), положившим начало спинтронике. За это открытие немец Петер Грюнберг и француз Альбер Ферт стали Лауреатами Нобелевской премии по физике 2007 года. Примерно в то же время Бэйбич (M.N. Baibich ) обнаружил эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных магнитных наноструктурах Fe/Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм (количество слоев менялось от 3 до 50). Открытие ГМС позволило создать высокоточные сенсоры магнитного поля, датчики углового вращения и, самое главное, считывающие головки жестких дисков. Первые считывающие ГМС-головки были выпущены в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практически во всех жестких дисках.

Компания Motorola начала массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory – магниторезистивная память с произвольной выборкой).

Главное отличие таких модулей – записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах – например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле- и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи. Спинтроника даст возможность также создать СВЧ-генераторы и другие микроволновые приборы нового поколения.

Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники в ближайшие десятилетия: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. В данной области используются качественно новые гетероструктуры – нанопленки. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые – магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. В перспективе - спинтроника, работающая с магнитными молекулами. Российские ученые имеют здесь неплохой задел.

Стратегическая и экономическая значимость разработок в области спинтроники общепризнана. Неудивительно, что лидирующие позиции здесь принадлежат США, где опекой этого перспективного научного и технологического направления занимаются такие авторитетные ведомства, как NSF (National Science Foundation), NIST (National Institute of Sience and Technology), DoD (Department of Defense), DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и ONR (Office of Naval Research). Одним из ведущих мировых центров является Центр спинтроники и квантовых вычислений (CSQC) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В 70-е и 80-е годы прошлого века в нашей стране были неплохие, мирового уровня, наработки по созданию памяти на магнитных цилиндрических доменах. Однако наступивший развал отечественной электронной промышленности свел на нет эти достижения. Поэтому у нас нет масштабных технологических работ по спинтронике.

3.3.2. Медицина и фармацевтика Важной составляющей ключевого фактора шестого технологического уклада являются нанобиотехнологии, объединяющие достижения физики, химии, биологии и медицины. На их основе создаются системы диагностики, разрабатываются высокодисперсные формы лекарственных препаратов и их адресной доставки к пораженным органам, создаются биосовместимые материалы и покрытия для использования в медицинской имплантационной практике, реконструктивной и пластической хирургии. Осваивается промышленный выпуск тест-систем для ускоренного определения возбудителей социально значимых вирусных и бактериальных заболеваний, токсинов и вредителей сельскохозяйственных культур. Разрабатывается технология для производства нанодиагностикумов на основе инкапсулированных квантовых точек, металлических наночастиц с целью создания новых быстрых и недорогих аналитических методов декодирования последовательности нуклеиновых кислот и белков для нужд медицины, сельского хозяйства, национальной безопасности. Создаются технологии для специфического выявления высокопатогенных вирусов, включая человеческие и птичьи вирусы гриппа, с использованием единого способа детекции, основанного на изменении величины тока в нанопроводах при связывании с ними биообъекта.

В последние годы наблюдается феноменальный рост продаж лекарственных препаратов, разработанных с использованием технологий генной инженерии. Американская компания Genentech (DNA) впервые синтезировала человеческий инсулин, до появления которого больные сахарным диабетом были вынуждены, несмотря на выраженные побочные эффекты, принимать инсулин, выделенный из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота. Это произошло в 1978 г. и считается официальной датой рождения биотехнологии.

Нанобиотехнологии – междисциплинарная область, являющаяся по оценкам экспертов современным лидером по перспективности и темпам развития. К практическим применениям нанобиотехнологии относятся:

• увеличение скорости и точности диагностики заболеваний;

• создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени;

• повышение специфичности и скорости доставки лекарств;

• миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор;

• способствование развитию экологически чистых производственных процессов.

Американские эксперты выделяют следующий репрезентативный ряд приложений нанотехнологии в биомедицине, состоящий из одиннадцати тем:

• инженерия живых тканей и регенеративная медицина;

• биологические наноструктуры;

• инкапсуляция лекарств и адресная доставка лекарств;

• молекулярная визуализация;

• биофотоника;

• биосовместимые имплантанты;

• биоаналитические мембраны;

• молекулярные биосенсоры;

• биочипы и лаборатории на чипе (lab-on-a-chip);

• функциональные молекулы: переключатели, насосы, транспортные средства.

Эксперты Европейской комиссии составили следующий перечень наиболее важных, по их мнению, разделов нанобиотехнологий:

• доставка лекарств;

• молекулярная визуализация;

• косметика;

• создание новых лекарственных средств;

• методы диагностики;

• хирургия, в т.ч. трансплантация тканей и органов;

• тканевая инженерия;

• пищевые технологии;

• геномика и протеомика;

• молекулярные биосенсоры и прочие технологии.

Основные направления развития нанобиоиндустрии на ближайшие пять лет определяются развитием микро- и нанофлюидной техники для точного дозирования и распределения жидкостей и наночастиц в определенном объеме или на поверхности, технологий проведения биохимических реакций в микро- и нанообъемах, и технологий считывания этих сигналов с последующей трансформацией сигнала в последовательность нуклеиновой кислоты. Актуальность развития методов быстрого и недорого анализа биополимеров и особенно ДНК определяется необходимостью совершенствования методов диагностики ранних стадий заболеваний, обеспечения адекватной поддержки персонифицированной медицины и введения мероприятий по своевременному обнаружению и мониторингу инфекционных агентов вирусной и бактериальной природы, а также паразитарных инфекций. На этой основе планируется создание принципиально новых систем многопараметрического анализа маркеров социально значимых заболеваний человека с использованием инкапсулированных квантовых точек (нанокристаллов) и нанодисперсий металлических наночастиц для одновременной регистрации концентраций белковых и низкомолекулярных маркеров, не превышающих пикомоль/мл. Квантовые точки являются в настоящее время универсальным материалом для адресной цветной маркировки ряда параметров, используемых в диагностике опухолевых процессов, соматических и наследственных генетических патологий, и при проведении морфологических исследований в клинической и научной практике. Ведется разработка технологии создания гибридных биосовместимых наноматериалов на основе неорганических наночастиц и генно-инженерных антител для адресного воздействия на биологические объекты.

Миниатюризация устройств, предназначенных для выявления ранних стадий заболевания, использование в качестве активного диагностического начала – сенсора наноразмерных датчиков (квантовых точек с иммобилизованными антителами, лигандами и другими аффинантами) и одновременное повышение количества определяемых параметров обуславливает чрезвычайный интерес к этому разделу нанобиотехнологии инвестиционных компаний во всем мире.

Одним из ведущих носителей нанобиотехнологий становится фармацевтическая промышленность. В частности, создание высокодисперсных форм лекарственных средств является одним из наиболее перспективных направлений разработки фармакологических и ветеринарных препаратов. Исследования процессов трансдермального и трансбарьерного переноса физиологически активных веществ с помощью липосом и наноэмульсий продемонстрировали на примере даже широко известных и давно применяемых препаратов (антибиотиков, цитостатиков и др.) значительные преимущества этих лекарственных форм с точки зрения увеличения эффективности, снижения токсичности и риска возникновения побочных эффектов, возможности осуществления регулируемого или пролонгированного высвобождения действующего вещества, а также возможности направленной доставки его к пораженному органу или ткани.

Технологии генной инженерии позволяют синтезировать лекарственные препараты с заранее известными свойствами, в отличие от традиционной фармацевтики, которая для разработки новых препаратов вынуждена исследовать свойства десятков тысяч различных химических субстанций. Благодаря новым подходам к разработке лекарственных препаратов, в последние годы мы стали свидетелями революционных прорывов в лечении таких заболеваний как рак, рассеянный склероз, ревматоидный артрит, сахарный диабет, ВИЧ и др.

Большое распространение данные технологии нашли в области косметологии, поскольку получаемые таким способом липосомальные косметические препараты обладают отличной способностью к трансдермальному проникновению. Разработаны новые транспортные наносистемы (контейнеры) для доставки лекарств в органы-мишени. Эти разработки позволяют повысить растворимость, биодоступность, терапевтические возможности препаратов, снизить дозы и побочные эффекты, значительно уменьшив лекарственные нагрузки на организм. По некоторым оценкам, довести новое лекарство от идеи до постели больного стоит в США около 800 млн долларов.

Применение нанотехнологий позволяет качественно поднять эффективность многих видов медицинской деятельности. В частности, они позволяют создать материалы, обладающие повышенной биосовместимостью к крови, живым тканям и физиологическому раствору человеческого организма. Потребность в качественных имплантантах только для сердечно – сосудистой хирургии исчисляется 3 – 4 млн. шт. в год. Формирование биосовместимых границ раздела медицинского материала-имплантанта с живыми компонентами организма человека (кровь, плазма крови, физиологический раствор, лимфа и т.д.) требует создания морфологической структуры поверхности имплантанта с такими размерами активных элементов поверхности, которые соответствуют размерам структур этих живых компонентов т.е. в наномасштабном диапазоне.

Соединение нанотехнологий и достижений генной инженерии открывает революционные возможности для регенерирования тканей. Для создания биоискусственных органов и тканей используются матриксы (носители) для клеток на основе наночастиц. Перспективным направлением является использование стволовых клеток. Стволовая клетка – это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма.

Механизмы, определяющие специализацию клетки, еще не включены, из них потенциально могут развиться любые клетки. Сегодня существует множество клиник по всему миру, предлагающих лечение стволовыми клетками (СК) огромного количества заболеваний.

Компании, занимающиеся стволовыми клетками в мире, представлены на сайте http://www.stem-cell-companies.com. Ранее считалось, что источником стволовых клеток является эмбриональная ткань и костный мозг взрослого человека. Однако в последующем были обнаружены неисчерпаемые запасы стволовых клеток в жировой ткани организма, что сняло этические и медицинские барьеры их широкого применения.

Ожидается, что использование достижений генной инженерии позволит многократно повысить эффективность здравоохранения и фармацевтической промышленности. По данным International Association of Nanotechnology массовое использование нанотехнологий в медицине начнется уже в 2011 – 1015 гг. (рис. 3.18).

3.3.3. Генно-модифицированные продукты Другой сферой быстрого распространения нанобиотехнологий стало сельское хозяйство, в котором широко применяются генетически модифицированные организмы, созданные методами генной инженерии на основе достижений современной молекулярной биологии. Под определение генетически модифицированный организм (ГМО) подпадают организмы с изменениями в геноме, которых нельзя достичь традиционными методами селекции и рекомбинации. Технология, позволяющая создать ГМО, – генная инженерия.

Естественно, ГМО создаются с какими либо «улучшенными свойствами». Наиболее распространенными ГМО на сегодняшний день являются растения, в силу того, что с ними работать намного проще, чем с животными. Наиболее массово данная технология применяется в сельском хозяйстве [http://gmo.ru/new/plants].

Используемые ГМО – это в основном трансгенные растения.

Термин трансгенные означает, что в геном конкретного растения были внесены чужеродные гены, в большинстве случаев даже не из растительного организма. Например, создан картофель, имеющий ген земляной бактерии, который придает ему устойчивость к колорадскому жуку.

Наряду с трансгенными существуют и цисгенные растения, которые по ряду причин распространены гораздо меньше. Цисгенные организмы и, в частности, цисгенные растения также получаются с помощью генной инженерии, однако, в отличие от трансгенных организмов, модификация в этом случае проводится только генами из родственных организмов, с которыми возможно скрещивание.

В 1982 г. ученые американской компании Monsanto, которая была основана в 1901 г., впервые генетически модифицировали растительную клетку. Первой сельскохозяйственной генномодифицированной (ГМ) культурой был томат “Flavr Savr”, устойчивый к гниению. Этот сорт был создан калифорнийской компанией Калген (Calgene), впоследствии купленной Монсанто. За время с 1996 г., когда началась коммерциализация ГМ культур, они были внедрены во многих странах и к 2007 г. занимали более 114 млн. га (рис. 3.19). Наибольшее количество посевных площадей засеяно в США (~ 50 % мировых площадей), а также в Аргентине, Бразилии, Канаде, Парагвае (около 90% площадей в этих странах заняты ГМ культурами).

Большого разнообразия выращиваемых ГМ культур не наблюдается: практически 100% составляют соя, хлопок, кукуруза и канола (масличный рапс), хотя всего запатентовано около 23 различных культур в различных вариантах генетической модификации (табл. 3.5).

Разрешенные в мире ГМ культуры [AGBIOS – www.agbios.com] (масличный рапс) Разрешенные в мире ГМ культуры [AGBIOS – www.agbios.com] За 12 лет не было создано растений с повышенной урожайностью или питательностью, засухоустойчивых или солеустойчивых, многие растения обладают устойчивостью к гербицидам, насекомым или к тому и другому. Уже известны случаи приобретения сорняками устойчивости к используемым с ГМ культурами гербицидам. Не исключено, что и вредоносные насекомые уже приобрели такую устойчивость. Подобные изменения ведут к все большему использованию гербицидов (прибыль получает компания их производящая, чаще всего та же, что создала ГМ растение), либо к выращиванию новых вариантов ГМ культур (опять же приобретаемых у производящей компании).

ГМ компании напрямую связаны и с производством семян, причем отнюдь не только ГМ культур. В настоящее время всего несколько транснациональных корпораций контролируют рынок семян. Десять наиболее крупных контролируют 57 % этого рынка.

Причем четыре из них – Monsanto, DuPont-Pioneer, Syngenta and Bayer – 41 %. После приобретения крупнейших компаний, производящих семена – Dekalb Genetics и Seminis, а также крупнейшего производителя семян хлопка – Delta and Pine Land Company, американская Monsanto стала мировым лидером в производстве ГМ культур (~ 86 % всех ГМ растений связаны с Monsanto), и крупнейшей семенной компанией.

Мировые гиганты производства семян являются по совместительству и производителями химических препаратов. Monsanto, DuPont-Pioneer, Syngenta и Bayer производят семена ГМ растений, устойчивых к определенным гербицидам, причем эти гербициды производят сами компании. Монополизация мирового рынка ГМсемян вызвала подорожание семян и снижение их разнообразия, повышенное загрязнение окружающей среды пестицидами и гербицидами.

У выращивания ГМ культур есть некоторые особенности. Они запатентованы компаниями в качестве интеллектуальной собственности. Поэтому фермеры не имеют права сохранять семена от урожая для дальнейшего использования. Причем, компании хотят получать прибыль не только от продажи семян, но также и от продажи урожая. Фермеры вынуждены каждый год покупать семена, причем по контракту, одним из пунктов которого является то, что фермеры обязуются не отдавать их на какие-либо исследования, что делает невозможным проводить какие либо независимые исследования и осуществлять контроль качества.

3.3.4. Конструкционные и функциональные материалы Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними – к нанотехнологиям [3.55]. Для современных конструкционных материалов характерна такая закономерность: увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность [3.55]. Например, нержавеющая сталь с нанокристаллической структурой получается из аустенитной стали путем формования методами сверхпластической деформации. По сравнению с обычной нержавеющей сталью новый материал обладает повышенной в 3 раза твердостью и может использоваться, как конструкционный материал в условиях повышенных нагрузок. Другой пример – дамасская сталь. Ее делали в средние века в Сирии, потом секрет был утерян, но некоторое количество изделий сохранилось. Недавно специалисты Массачусетсского технологического института (MIT) в США наконец раскрыли секрет дамасского чуда. Выяснилось, что древесный уголь в Сирию привозили из Индии, а в стали углерод присутствует в виде нанотрубочек. Как так получилось – непонятно, но именно эти трубочки делали сталь очень прочной и гибкой. Теперь подобный материал создают в петербургском институте «Прометей» [3.89, 3.90].

Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований (табл. 3.6) свидетельствует о высокой перспективности следующих основных направлений в области разработки конструкционных материалов:

• изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы;

• создание наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью;

• создание наноструктурных защитных термо- и коррозионностойких покрытий;

• создание обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с наполнителями из наночастиц и нанотрубок.

Приоритетные направления развития наноматериалов Нанокатализаторы Тонкая конст- Нанокатализаторы Высокопрочные стали Нанокомпозиты нанокомпозиты Магнитные наноматериалы Углеродные на- Жаропрочные сплаМатериалы с особыми элек- номатериалы вы трофизическими свойствами Магнитные на- Сплавы сверхбыстсверхпроводники, резистив- номатериалы рого затвердевания ные, сенсоры) Наноструктурированные покрытия Углеродные наноматериалы Большое внимание уделяется созданию композиционных наноматериалов со специальными механическими свойствами:

• теплозащитные и износостойкие наноструктурные покрытия;

• композиционные наноматериалы с высокими антифрикционными свойствами;

• композиционные наноматериалы с высокой стойкостью к экстремальным воздействиям для термически и радиационностойких конструкций;

• наноструктурированные катализаторы для очистки промышленных газовых выбросов.

В последние годы разработаны нанокомпозитные металлокерамические материалы, в частности, на основе карбидов вольфрама и титана WC-Co и TiC-Fe, значительно превосходящие по износостойкости, прочности и ударной вязкости аналоги с обычной микроструктурой. Повышенные эксплуатационные характеристики нанокомпозитных материалов обусловлены образованием при спекании специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз. Разработка и внедрение в промышленное производство технологии создания нанокомпозитных изделий будет способствовать решению проблемы изготовления высококачественных режущих инструментов.

Повышение коррозионной стойкости наноструктурных покрытий обусловлено, в первую очередь, снижением удельной концентрации примесей на поверхности зерен по мере уменьшения их размеров. Наноструктурные покрытия характеризуются сверхвысокой прочностью. Один из основных механизмов упрочнения обусловлен эффектом скопления дислокаций вблизи препятствий, которыми при уменьшении размеров зерен являются их границы.

Использование диспергированных в полимерной матрице неорганических наполнителей из наноразмерных порошков позволяет существенно повысить огнестойкость пластмасс, являющуюся одним из основных недостатков при использовании их в качестве конструкционных материалов, поскольку продукты сгорания полимеров, как правило, представляют собой ядовитые вещества. Результаты исследований показывают, что снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени. При этом наноразмерные порошковые наполнители не снижают механической прочности и обрабатываемости материалов. Полимерные нанокомпозиты обладают высокой абляционной стойкостью, что открывает перспективы их использования для защиты поверхности изделий, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких температур.

На отечественном предприятии ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

программа «Металл» направлена на создание сверхпрочных материалов для обустройства морских сооружений в Арктике, например, морских буровых установок, которые способны сохранять необходимые эксплуатационные свойства в экстремальных условиях – предельно низкая температура воздуха, ледовая нагрузка и другие [3.90]. Цель проекта «Магистраль» – разработать высокопрочные свариваемые стали для труб большого диаметра, необходимые для строительства протяженных магистральных газопроводов и нефтепроводов страны. Кроме того, разрабатываются сверхлегкие и сверхпрочные материалы для подводных аппаратов, материалы для получения, хранения и использования водорода в альтернативной энергетике и другие материалы. Интересны работы по конструированию материалов из порошков с помощью лазера и по созданию искусственных мозаичных сплавов из порошков различных металлов. Таких сплавов еще не существует и обычными известными способами их создать невозможно. Только – с помощью нанотехнологий. Помимо конструкционных материалов предприятие разрабатывает функциональные наноматериалы: магнитные, электромагнитные и рентгенозащитные экраны для защиты человека, чувствительных приборов и датчиков от различных излучений; вибропоглощающие и звукопоглощающие покрытия и композиты, обеспечивающие защиту от вибраций и шума.

Ядерная отрасль России начала применять нанотехнологии и наноматериалы одной из первых в мире (задолго до того, как они стали так называться). На предприятиях и организациях ядерноэнергетического комплекса уже в 1950-е гг. при создании диффузионных технологий изотопного обогащения урана и технологических операций ядерно-топливного цикла были впервые синтезированы наноразмерные металлические порошки. В настоящее время на предприятиях Росатома разрабатываются конструкционные наноматериалы для ядерных энергоблоков; наноматериалы и нанотехнологии для ядерного топливного цикла, обращения с радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом; наносверхпроводники и наноэлекротроника; ультрадисперсные (нано) материалы и нанотехнологии; нанодиагностика конструкционных и функциональных материалов; наномембраны, наносорбенты, нанодатчики, наносистемы безопасности; инновационные способы получения наноматериалов и нанотехнологии широкого применения.

Так, одним из условий развития ядерной энергетики является снижение удельного потребления природного урана при производстве энергии, что достигается, в частности, за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива (до 20 % тяжелых атомов). Опыт показал, что для этого необходимо создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой пористостью, удерживающих продукты деления и препятствующих транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннего повреждения. Активация процесса спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологий новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерного топлива перспективных ядерных реакторов-бридеров на быстрых нейтронах [3.91].

Другим важным направлением достижения конкурентной способности действующих и разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах является обеспечение радиационной стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности.

Эта проблема решается при использовании нового класса ферритомартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов иттрия нанометрового размера (ДУО-сталь). На основе разработанной в «Бочваровском институте» (ОАО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара) технологии получения ДУО-стали были изготовлены изделия (трубы, пластины), дореакторные испытания которых показали многократное, до 8 раз, увеличение параметров жаропрочности по сравнению со штатной сталью [3.91].

Создание импульсных магнитных систем со сверхсильным магнитным полем (с индукцией более 50 Тл) потребовало разработки нового класса обмоточных материалов с уникальным сочетанием высоких прочностных и электропроводящих свойств. Во ВНИИНМ разработаны технологии получения методом глубокой пластической деформации (обеспечивающей измельчение зерен металла до наномасштаба) нового класса высокопрочных медно-ниобиевых (Cu-Nb) обмоточных проводов с пределом прочности 1100 – 1250 MПa и электропроводностью около 70 % от меди. То есть полученный нанокомпозит имеет прочность стали при электропроводности близкой к меди [3.91]. На рис. 3.20 показано место новых наноструктурных электропроводных композитов по отношению к другим известным проводящим материалам. Разработаны также высокопрочные Cu-Nb тонкие провода диаметром от 0,4 мм до 0,05 мм с рекордными свойствами: предел прочности 1300 – 1600 MПa, электропроводность 70 – 80 % от меди.

Углеродные наноматериалы. К числу наиболее перспективных и широко исследуемых наноматериалов, обладающих широким спектром применений, относят так называемые фуллерены и углеродные нанотрубки [3.1 – 3.15, 3.92, 3.93]. Углеродные нанотрубки (carbon nano-tube, CNT) – молекулярные соединения, принадлежащие модификациям углерода. Углеродную нанотрубку можно представить себе как лист графита, свернутый в цилиндр (см.

рис. 3.5). Однослойная нанотрубка может иметь диаметр 2 нм и длину до 100 микрон и более. Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз.

Промышленное внедрение углеродных нанотрубок ведется в области хранения электрической энергии (водородные топливные ячейки), конденсаторов высокой емкости, устройств с хорошей электронной эмиссией (дисплеи, электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия и т.п.), в качестве заполнителей для антифрикционных прокладок, работающих в авиационных и автомобильных двигателях. Очень быстрое развитие получило использование нанотрубок в качестве наполнителей в различных объемных нанокомпозитах (от углепластиков до многокомпонентной керамики). Такие объемные материалы планируется использовать в автомобильной промышленности, авиации, как конструкционные материалы для специальных применений. Ведется разработка материалов и покрытий на основе нанотрубок для снижения трения в микро- электро- механических устройствах и нано– электромеханических устройствах. В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются спортивные товары, электроника и автомобилестроение. Углеродные нанотехнологии могут использоваться в радиоэлектронике для поглощения микроволнового излучения, создания новых материалов с управляемыми электромагнитными и даже сверхпроводящими свойствами. Нанотрубки могут стать элементом компактных интегральных схем.

Перспективным направлением представляется использование углеродной нанопены – вспененных полимеров, содержащие углеродные нанотрубки. Эти материалы также можно получать золгель технологиями в виде покрытий с низкой плотностью и хорошими теплоизолирующими свойствами. Промышленное внедрение нанопористого углерода ведется в различных мембранных фильтрующих материалах и для электрических батарей большой емкости. Покрытия на основе различных углеродных материалов и наноструктурированных композитных тонких пленок уже нашли широкое применение в промышленности.

Большой интерес вызывает использование еще одного наноматериала из углерода – фуллерена (см. рис. 3.4). Фуллерены представляют собой химически стабильную замкнутую поверхностную структуру углерода, в которой атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида. Число атомов углерода в молекуле фуллерена больше или равно 60. Химики разделяют фуллерены на две группы: легкие фуллерены, к которым относят С60 и С70, и тяжелые (высшие) фуллерены, к которым относят остальные фуллерены, число атомов в которых более 70. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства. В соединении с другими веществами они позволяют получить материалы с принципиально новыми свойствами. Промышленное внедрение фуллеренов рассматривается в качестве наполнителей в различных объемных нанокомпозитах, либо в качестве антифрикционных материалов или добавок в различные смазки для защиты от износа и коррозии.

В Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (Московская область, г. Троицк) впервые в мире созданы принципиально новые углеродные материалы на основе фуллеренов с твердостью и объемным модулем упругости выше алмаза (ультратвердый фуллерит, полученный из фуллеренов C60).

Разработана экспериментальная технология их синтеза, исследованы структура и основные физические свойства, получены 4 патента РФ и патент США. Ведутся работы по созданию промышленных технологий производства этих новых материалов и исследуются их возможные применения. Там же синтезируются и исследуются материалы на основе углеродных нанотрубок. Созданы углеродазотные наноматериалы (нанофиберы), имеющие рекордную эмиссионную способность и имеющие стабильность не менее 100 часов (прототипы источников света и дисплеев).

Широкое применеие получают нанопорошки углерода, которые используются в ряде стран в массовом производстве в качестве добавок в резину для улучшения механических свойств (уменьшения износа, увеличения твердости, улучшения вязкости).

К многофункциональным нанокомпозитам относятся материалы, состоящие из наночастиц, нановолокон или наноткани, распределенных в не нанокристаллитной матрице, а также в виде нанокристаллитов одного материала, распределенных в аморфной матрице другого материала. Таковыми являются:

• полимерные нанокомпозиты (наночастицы и нанотрубки в полимерной матрице, резина с наночастицами, полиэльфины со слоистыми наноструктурами, кремнеорганические нанокомпозиты, тканные наноматериалы и нанонити в полимерной матрице);

• керамические нанокомпозиты (керамическая матрица с наполнителем из наноуглерода или других наночастиц, керамическая матрица с нанополимерами).

К наноструктурированным металлам и сплавам относят наноструктурированное железо и цветные металлы, а также металлические нанопорошки и металлы, получаемые методами порошковой металлургии. Основные тенденции исследований и использования наноструктурированных металлов и сплавов:

• нанопорошков благородных металлов (например, серебра) в защите организма от бактерий и в медицинских целях;

• нанопорошков алюминия в качестве добавок в твердое топливо, пороха и взрывчатые вещества для повышения выделения энергии;

• нанопорошков железа и сплавов для усиления магнитных свойств;

• нанокристаллитных сплавов алюминия, титана и магния, как легких конструкционных материалов повышенной прочности в авиации и автомобильной промышленности;

• нанокристаллитных металлических покрытий и покрытий на основе нанопорошков для улучшения коррозионной и механической защиты;

• наноструктурированного магния и сплавов на его основе, а также титана в качестве материалов для хранения водорода (используются очень высокие свойства диффузии водорода в магний и титан);

• в качестве конструкционных материалов металлических композитов, например, многослойных листовых материалов, в которых армирующим элементом являются нанонити или наноткани алюминия;

• наноструктурированных металлов в качестве конструкционных элементов микроэлектромеханических устройств.

К нанополимерам относят наноструктурированные полимеры.

К полимерным нанокомпозитам относят полимеры или сополимеры, в составе которых есть отдельные наночастицы или нановолокна толщиной от 1 до 50 нм. Считается, что нанополимеры и полимерные нанокомпозиты являются перспективными материалами для использования в медицине, энергетике и в качестве конструкционных материалов. Например, планируется широкое использование полимерного нанокомпозита CPNC (clay-containing polymeric nanocomposites) из-за хорошей механической прочности, уменьшенной газо- и паропроницаемости, пониженной воспламеняемости в качестве упаковочного материала.

Высокие эксплуатационные свойства имеют краски, получаемые из водных растворов нанополимеров, активируемые с помощью ультрофиолетового излучения. Для усиления защиты от абразивного износа в такие краски добавляют нанопорошки. Очень перспективными является использование полимерных нанокомпозитов на базе фторопластов.

К керамическим нанокомпозитам относят оксидную и неоксидную керамику, силикаты, твердые сплавы (карбиты, бориды) на металлической связке, получаемые порошковыми методами, а также керамику макс-фаз. По сравнению с существующими сейчас керамическими материалами, нанокерамика обладает улучшенными характеристиками: высокой прочностью и твердостью, меньшей плотностью, уменьшенным модулем упругости, повышенным электрическим сопротивлением, повышенной температурной стойкостью, пониженной теплопроводностью.

Большое значение придается разработке технологий производства неоксидной нанокерамики и нанопорошков (нитриды, карбиды, бориды). В зависимости от состава этих материалов они могут обладать уникальными многофункциональными свойствами: обладать высокой прочностью, в то же время легко обрабатываться, выдерживать высокие температуры, иметь высокую теплопроводностью, низкий коэффициент трения.

Начато промышленное производство керамических материалов с наноуглеродом в керамической матрице. Добавка углеродных нанотрубок и фуллеренов (в том числе, нановискеров углерода) в керамическую матрицу улучшает механические свойства керамики (повышение пластичности, снижение хрупкости), а также дает свойство электропроводности керамическим изделиям. Керамика обладает хорошими термоизолирующими характеристиками. Преимуществом углеродных наноматериалов, как наполнителей в керамике является то, что наночастицы не образуют кластеров и легко распределяются равномерно в объеме изделия. Области применения: энергетика (высокая электропроводность, способность выдерживать высокие механические нагрузки, высокую температуру), газовые и паровые турбины (обладает низким коэффициентом трения при высоких температурах), авиация и космонавтика.

Нанопорошки. Еще 60 – 70-х гг. XX века ученые многих стран изучали новые эффекты, отчетливо проявляющиеся при тонком измельчении материалов. Когда размеры частиц измельченного вещества попадают в нанообласть, наблюдаются коренные изменения физико-химических свойств (аморфизация, химическая активность, повышенная растворимость, растворимость нерастворимых веществ, и т.д.). Порошки классифицируют на три типа (по размерам частиц):

• наноразмерные или ультрадисперсные (1 – 100 нм);

• высокодисперсные или субмикронные (100 – 1000 нм);

• частицы микронных размеров (1 – 10 микрон).

Промышленное производство большинства видов нанопорошков (оксиды металлов и порошки чистых металлов) началось около 10 лет тому назад. До этого в промышленных количествах производились только кремнезем, глинозем и оксид железа. Научноисследовательские институты и университеты выпускали в небольших объемах многие из ныне имеющихся нанопорошков для применения в наноисследованиях. Несмотря на широкий ассортимент доступных в настоящее время нанопорошков, всего лишь некоторые из них производятся в промышленных масштабах и подлежат конкурентному ценообразованию. Оксиды металлов составляют не менее 80 % всей массы производимых порошков. Порошки чистых металлов составляют все возрастающую долю всего объема производства (сейчас около 15 %).

Основные способы получения нанопорошков делятся по принципу используемого процесса на физические и химические, или по характеру достижения наноразмерного состояния на «сверху-вниз»

(измельчением) и «снизу-вверх» (укрупнением) (табл. 3.7).

Способы получения нанопорошков [3.94 ] Физические «сверху-вниз» Химические «снизу-вверх»

Механическое измельчение, рас- Разложение солей, осаждение распыление, конденсация из паро- творов, химические реакции при вой фазы (в вакууме или инерт- пониженных температурах, водоном газе), конденсация из плаз- родное восстановление металлов из мы, электродуговое измельчение, окислов, химический взрыв, химилазерное облучение, СВЧ- ческие реакции в плазменном сообработка, электровзрыв (прово- стоянии, самораспространяющийся локи), поатомная сборка, само- высокотемпературный синтез, ….

сборка, …..

Промышленные технологические линии для получения тонких и сверхтонких продуктов обычно комплектуются шаровыми мельницами и разнообразным оборудованием для многостадиальной классификации (грохотами, циклонами и центробежными классификаторами), а также содержат струйные или иные мельницы для доизмельчения промежуточных продуктов. Поэтому стоимость таких линий высока. Стоимость промышленного оборудования для получения нанодисперсных или наноструктурированных порошков производительностью около 2 кг/ч (по нанопорошку с размерами частиц менее 1 мкм, т.е. менее 1000 нм), составляет 200 – 300 тысяч долларов США. Это связано с тем, что с уменьшением размеров частиц для их измельчения требуется очень высокая концентрация энергии, сравнимая с энергией лазерных или плазменных реакторов [3.95]. Мельниц для промышленного производства нанодисперсных и наноструктурированных материалов с производительностью более 2 кг/ч в мире нет.

Во множестве публикаций рассматриваются такие области применения нанопорошков как повышение прочности и твердости материалов, придание электропроводности диэлектрикам, порошковая металлургия, керамика, оптимизация горения, катализаторы и реактивы, снижение трения, магнитные материалы, УФ и ИК поглощение, неньютоновские жидкости, аккумуляция водорода, припои, защитные покрытия, оптика, пожарная безопасность, абразивные материалы, радиотехника, фильтры, гальванопластика, электроника, 3D-принтеры, пиротехника, косметика, отражение тепла, цветные стекла, медицина, криминалистика, полиграфия и др. Было отмечено, что, к сожалению, далеко не все производители нанопорошков (не говоря уже об их потенциальных потребителях) хорошо представляют способы их использования.

Такие отрасли промышленности как электроника, оптика и обрабатывающая промышленность потребляют более 70 % мирового производства порошков. Медицина и косметическая промышленность потребляют только 7 % нанопорошков, однако ожидается, что их применение в этой области будет вести за собой большую часть нанотехнологических исследований в ближайшие 10 – 15 лет.

В настоящее время нанопорошки используют для получения автомобильных нейтрализаторов (11.5 тыс. т), абразивов (9.4 тыс. т), материалов для магнитной записи (3.1 тыс. т), солнцезащитных материалов. В отдельных отраслях вложения в нанотехнологии окупаются уже сегодня. В качестве примера можно упомянуть использование General Motors материалов на основе нанокомпозитов в автомобилях, а также производство косметической продукции, содержащей наночастицы. Высокое соотношение площади к объему нанопорошков металлов делает возможным производство батареек с продолжительным сроком службы. Оксид церия увеличит срок службы дизельного топлива. Ряд нанопорошков заменит собой платину в качестве катализаторов, например, в электродах топливных элементов. В индикаторных и плазменных дисплеях будут использоваться сульфаты, селениды и теллуриды на основе цинка, кадмия и свинца для получения более ярких цветов, более четкого изображения, увеличения срока службы и снижения вредного излучения. В базе данных нановеществ, производимых в мире, содержится информация о более чем 1400 веществах, разбитых по областям применения (исследовательская компания Abercade, специализирующаяся на изучении промышленных рынков и технологий).

Нанопорошки из алюминия с переходными металлами (Fe, Ni, Ti, Zr) используются для производства различных деталей с помощью прессования, спекания и других методов порошковой металлургии. Перспективным методом производства деталей сложной формы, не требующих суперфинишной обработки, является метод высокоскоростного формования и компактирования (HVCF). По сравнению с традиционными методами холодного и горячего изостатического прессования метод HVCF на 60 – 70 % более экономичен и позволяет получать изделие с более плотной структурой, с заданными размерами и качеством поверхности, не требующей дополнительной механической обработки.

Наноструктурированные Al, Mg, Ti, сплавы Al-Mg с нанокристаллитной структурой являются хорошей альтернативой применяемым в настоящее время обычным алюминиевым и магниевым сплавам для производства элементов конструкции самолетов, т.к.

позволяют значительно снизить вес. Методы получения – пластическая деформация. Большую перспективу использования в конструкции крыла и фюзеляжа имеют композиты типа «сэндвич», в которых внутренний структурный элемент – тканный материал из волокон или тонкой проволоки наноструктурированного алюминия, а внешний элемент – листы из наноструктурированного алюминия. Такие композитные материалы более дешевые по сравнению с углеродными композитами и легче поддаются механической обработке.

Добавление наночастиц в металлическую матрицу улучшает механические и термические свойства. Изделия из таких материалов могут эксплуатироваться при высоких температурах, например, в узлах авиадвигателя. По сравнению с существующими алюминиевыми или магниевыми сплавами прочность металл-керамических нанокомпозитов на основе карбида кремния в алюминиевой матрице выше на 25 %. Кроме этого, такие материалы обладают хорошей пластичностью и поддаются штамповке, в отличие от традиционных силуминов.

В новых разработках используют безмасленные подшипники с нанокомпозитными покрытиями. Используя подобные покрытия без жидкой смазки, удастся повысить ресурс газовых турбин, снизить их вес, уменьшить шум авиадвигателей и уменьшить эксплуатационные издержки. Наилучший результат в промышленном производстве достигнут пока на покрытии DLC (алмазоподобного углерода), которое хорошо известно и используется в мире в серийном производстве с 1994 г. Ряд производителей подшипников (SCF, Timken) использует данное покрытие.

Добавки нанопорошка алюминия с размером частиц менее 100 нм существенно (в десятки раз) повышают скорость горения ракетного топлива (рис. 3.21).

3.3.5. Машиностроение Развитие работ в области наноматериалов и промышленно ориентированных средств измерений в нанометровом диапазоне способно оказать революционизирующее влияние на развитие машиностроительного комплекса. Одной из главных задач в машиностроении является создание нового станочного парка для обработки деталей с точностью, лежащей в нанометровом диапазоне. Такие станки необходимы для обработки профильных деталей высокой точности в ракето- и авиастроении, космической промышленности, для обработки оптических деталей различного назначения.

Созданные в нанотехнологиях методы измерений и прецизионного позиционирования обеспечивают возможность адаптивного управления режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

Экономический эффект, достигаемый за счет повышения точности обработки поверхностей, складывается из улучшения совокупности технических показателей: снижение шума, вредных выбросов, кратного увеличение ресурса работы техники, кратного снижения эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), весовых характеристик изделий. Так, в производстве ряда конструкций ракетно-космической техники нашли применения станки для наноточения, созданные в ОАО «Красный пролетарий», которые позволяют обрабатывать плоские, цилиндрические, конусные, сферические и асферические поверхности диаметром до 500 мм и высотой 150 мм. Они обеспечивают высоту неровности шероховатости 3-5 нм, а точность формы 0,2 мкм на диаметре 200 мм (http://www.hitechno.ru/?page=theses2005).

Первое в России предприятие по производству инструмента с наноструктурированным покрытием начнет функционировать в 2010 г. (http://www.army.lv/index.php?s=670&id=15494). Срок использования такого инструмента в производстве в 2-3 раза больше по сравнению с традиционным инструментом. Кроме того, применение нанотехнологий в авиадвигателестроении позволит увеличить ресурс самих газотурбинных двигателей в 1,5 – 2 раза.

Использование нанотехнологий позволяет резко расширить возможности производства и применения в машиностроении микросистемной техники (МСТ). В России термин «микросистемная техника» стал использоваться в официальных документах после принятия в 1996 г. Перечня критических технологий Федерального уровня. Как известно, принципиальное отличие изделий МСТ от изделий микроэлектроники состоит в трехмерности их структуры, исполнительные механизмы которой обладают возможностью функционального механического перемещения. Функциональными исполнительными элементами МСТ являются микромеханические, микроэлектромеханические, микроэлектрооптомеханические, микроакусто-механические устройства и их узлы (микродвигатели, элементы гидравлики, поршни, захваты, редукторы, приводы, зеркала и т.д.), технологически и конструктивно выполненные в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла с применением технологий микроэлектроники, оптоэлектроники, интегральной оптики, акустоэлектроники, пьезоэлектроники. Эта тематика представлена в ежемесячном междисциплинарном теоретическом и прикладном научно-техническом журнале «Нано- и микоросистемная техника», выпускаемом издательством «Новые технологии» с 1999 г.

Переход в нанометровый диапазон размеров становится генеральной линией технологической траектории перехода от микросистемной к наносистемной технике. Уже известны попытки создания датчиков по нанотехнологии, датчиков на основе фуллеренов и отдельных молекул. Развиваются работы по использованию в изделиях МСТ новых наноструктурированных материалов. При этом одними из самых перспективных материалов являются углеродные нанотрубки и фуллерены.

Ведется разработка технологий нанесения нанокомпозитных покрытий, обладающих низким коэффициентом трения и стойких при температурах 500 – 800 °С, а также покрытий с низким коэффициентом трения для применения в газовых турбинах, авто- и авиа- двигателях, в космосе и в микроэлектронных механических устройствах (MEMS-системах). В новых разработках турбин и двигателей используют безмаслянные подшипники с нанокомпозитными покрытиями. Используя подобные покрытия без жидкой смазки, удастся повысить ресурс турбин, снизить их вес, уменьшить шум авиадвигателей и уменьшить эксплуатационные издержки. Наилучший результат в промышленном производстве достигнут пока на покрытии DLC (алмазоподобного углерода), которое хорошо известно и используется в мире в серийном производстве с 1994 г. Ряд производителей подшипников (SCF, Timken) используют данное покрытие. В качестве основных кандидатов – покрытий выбраны нанокомпозитные покрытия, обладающих так называемым эффектом адаптивности (изменения свойств при нагреве/охлаждении) – покрытия-хамелеоны.

Вторым (после алмазоподобного углерода) направлением снижения трения при высоких температурах является использование покрытий с так называемыми Магнели-фазами на основе нитридов титана, алюминия, хрома и ванадия (TiAlN/VN, AlCrVN, AlCrN).

Используют также бор-алюминий-магниевые керамические слои и борид титана. Такие покрытия обладают низким коэффициентом трения и достаточной твердостью при нормальной температуре.

При нагреве до 700 – 1000 °С происходит диффузия металла (например, ванадия) из покрытия на поверхность и образование оксидной пленки, снижающей трение.

Третьим направлением для снижения трения при высоких температурах является использование покрытий керамики МАКС – фаз.

Во многих приложениях гораздо эффективнее и дешевле применить твердые и износостойкие достаточно тонкие поверхностные покрытия трущихся поверхностей, чем изготавливать всю деталь из дорогого материала, например, керамики. Импульсное лазерное напыление является одним из современных и очень универсальных методов нанесения покрытий с различными свойствами. Метод позволяет наносить многослойные покрытия различной толщины и свойств на подложки (детали) сложной конфигурации. Другим перспективным методом в данной области ученые считают магнетронное распыление, которое достаточно хорошо отработано. Оборудование для обоих видов технологии доступно на рынке.

Госкорпорация «Роснано» рассматривает перспективы развития отечественного производства нанокерамических присадок для моторных, трансмиссионных и иных масел. Последние 2 – 3 года розничный рынок импортных и отечественных антифрикционных препаратов (снижающих износ и восстанавливающих трущиеся поверхности) демонстрирует уверенный 50-процентный рост, который сохранится в краткосрочной перспективе. Его емкость составляет 750 – 900 млн рублей в год. Из них на нанокерамические трибопрепараты приходится 200 – 250 млн рублей, то есть 25 – 30 % общего объема рынка. Корпоративный сектор составляет не более 15 % от емкости розничного. Несмотря на недоверие значительной части представителей корпоративного сектора к существующим на рынке трибопрепаратам, ожидание с их стороны принципиально нового, эффективного решения достаточно велико.

Нанороботы. Впервые понятие наноробота или молекулярного ассемблера появилось в нашумевшей книге Эрика Дрекслера (Eric Drexler) из Массачусетского технологического института «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий» (1986 г.). Нанороботы – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.