С тех пор, как слово «нанотехнологии» обрело всемирную популярность, огромное распространение получили истории о «нанороботах», захватывающих Вселенную. Фантасты состязаются в выдумывании самого жуткого сценария всемирной катастрофы, кинематографисты снимают многомиллиардные блокбастеры, а в блогосферу периодически просачиваются ужасные слухи о том, что «в Китае в результате секретного наногенного эксперимента родился трёхголовый щенок-мутант». Что правда, а что вымысел в футуристических «страшилках»? Чем в действительности занимаются учёные, создающие и исследующие наноструктуры? Как они это делают?

Кошмар Эрика Дрекслера¹

Идею «серой пыли» (в некоторых вариантах – «серой слизи») выдвинул один из идеологов современного нанотехнологического бума Эрик Дрекслер. Корни её содержатся во вполне позитивном стремлении людей к уменьшению размеров устройств и к улучшению свойств материалов, которыми они пользуются. И нанотехнологии обещают тут прорыв не меньшего масштаба, чем при появлении металлургии, пластмасс или композиционных материалов.

Важное обстоятельство: преимущества наноустройств и наноматериалов в масштабах мировой экономики станут заметны лишь тогда, когда наноструктурированные изделия достигнут макроразмеров. Для примера: если использовать при строительстве здания наноразмерные присадки, добавки, модификаторы и т.д., то можно улучшить характеристики конструкции на проценты, максимум – в разы. Если же всё здание целиком будет собрано из наноструктурированных строительных блоков, то оно может превосходить ныне существующие в десятки и сотни раз.

Но – чем меньше становится некая деталь или устройство, тем больше усилий нужно затратить на его изготовление, на контроль и обращение с ним. Т.е., чем меньше деталь, тем она дороже. Что же делать?

Оригинальное решение проблемы состоит в том, чтобы «научить» наноразмерные устройства собирать самих себя без участия человека. Каждый из нас видел, как образуются узоры на морозном стекле. Это пример самоорганизации на молекулярном уровне. Молекулы водяного пара из воздуха осаждаются на кристаллическую затравку, спонтанно возникшую на стекле. Осаждение происходит неравномерно, распределение поверхностной энергии по поверхности кристалла-затравки благоприятствует встраиванию новых молекул преимущественно в определённом месте и, как следствие, росту структуры строго в определённом направлении. В результате мы можем наблюдать глазом – т.е. на уровне макроструктуры – возникновение на стекле замысловатых двухмерных узоров.

Эрик Дрекслер предсказал, что магистральным путём развития нанотехнологий будет создание и совершенствование подходов молекулярной и атомарной самосборки. Логическим развитием этого направления должны стать микро- и на- ноконвейерные производства, в которых технологии самосборки будут использоваться наноразмерными машинами для воссоздания себя и подобных себе наноустройств. Именно такие (и только такие) фабрики, способные работать без участия человека в режиме нон-стоп 24 ч в сутки и 365 дней в году, смогут создавать десятки, сотни и тысячи тонн относительно недорогих, но, в то же время, наноструктурированных материалов, деталей и устройств. И только в этом случае станет возможной реализация всех тех фантастических возможностей, которые обещает умение контролировать структуру материалов и свойства деталей с атомарной точностью.

Именно здесь и кроется тот кошмар, который Дрекслер назвал «серой слизью». Что будет, если на одной из таких автономных нанофабрик сломается что-то в механизме контроля технологии, и наномашины перестанут делать полезные нанодетали, а вместо них начнут просто воссоздавать самих себя? Возникнет некое искусственное существо, столь крошечное, что его будет очень трудно заметить и уничтожить. Оно сможет легко распространяться, если сумеет попасть в окружающую среду, и единственное, что оно станет делать, – использовать весь материал планеты для производства наноструктурированной «пыли» или «слизи» (слизь страшнее, поэтому этот сценарий получил большее распространение). Постепенно вся живая и неживая природа будет «сожрана» и переработана в нанослизь.

Молекулярная самосборка, живая и неживая

Прежде всего нам нужно разделить искусственные технологии и живую природу. Потому что в живой природе именно процессы молекулярной самосборки лежат в основе самовоспроизводства макросистем. Способность белковых молекул специфически и избирательно связываться с другими молекулами – это фундаментальная особенность, лежащая в основе всех процессов, происходящих в живой клетке. В геноме человека закодированы десятки тысяч белковых структур. Этого достаточно, чтобы обеспечивать клетку строительными материалами, чтобы она могла извлекать энергию из высокоэнергетических соединений, обмениваться сложной системой сигналов с другими клетками в структуре организма и т.д.

Это значит, что примеры нанофабрик, способных существовать автономно и воспроизводить самих себя на основе молекулярной самосборки, – это все живые существа.

Мы знаем достаточно много, чтобы утверждать, что именно молекулярная самосборка лежит в основе роста и развития любого живого организма. Но мы знаем пока слишком мало, чтобы создать аналогичную систему из искусственных материалов и чтобы она работала.

Учёным сегодня известны тысячи реакций молекулярного взаимодействия по принципу самосборки. Многие из них промоделированы и детально изучены. Но в живой клетке происходят многие миллионы межмолекулярных реакций, и все они осуществляются направленно.

Сегодня невозможно себе представить, чтобы кто-то смог создать искусственный аналог живой клетки или хотя бы вируса – наиболее простой системы, способной к самовоспроизведению. Теоретически это возможно, но это перспектива многих десятилетий научных исследований.

А что можно сделать с помощью самосборки молекул сейчас?

Можно создавать единичные нанодетали и наноустройства. Они не будут способны воспроизводить себя, будут весьма дорогими в производстве, но их присутствие в макроустройстве может принципиально улучшить технические характеристики и потребительские свойства. Речь идёт о технологиях МЭМС и НЭМС (Микро- и НаноЭлектро- Механические Системы). Например, комплексы на платформе НаноФаб 100 позволяют в условиях высокого вакуума переносить пластины кристаллического кремния из одного технологического модуля в другой и последовательно создавать на кремнии самые разные наноразмерные структуры. При этом важную роль играют технологии на основе самосборки, например выращивание эпитаксиальных моноатомных слоев. Они позволяют формировать наноструктурированные заготовки – очень правильные, с точно заданными свойствами.

Однако для изготовления конечной детали или устройства принципиально важным оказывается комплексный подход: имея совершенную заготовку, нам необходимо иметь возможность прицельных нанолокальных воздействий на неё. И тут возникает вопрос: Как увидеть, чем измерить?

Итак, самосборка молекул – это один из способов создавать наноструктуры. Но для того чтобы созданные структуры можно было использовать в реальных изделиях, нужно иметь инструменты, которые позволяют видеть наноразмерные объекты, измерять их физико-химические свойства и вообще контролировать процесс их создания и встраивания в изделия МЭМС и НЭМС. Что это за инструменты?

Безусловно, самый информативный и перспективный метод анализа наноструктур на сегодня – сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Суть этого подхода в том, что к поверхности образца подводят очень острую иглу – зонд, – которую затем перемещают от точки к точке (сканируют) и измеряют силу взаимодействия между иглой и поверхностью образца. Иглы-зонды могут быть самыми разными, соответственно, разной будет природа сил взаимодействия, а значит, можно исследовать различные характеристики нанообъекта.

Например, если зонд токопроводящий, с его помощью можно измерять электрические свойства в каждой точке поверхности (электропроводность, ёмкость, заряженность и др.). С помощью зонда с магнитным покрытием можно определить намагниченность образца и построить карту распределения и ориентации магнитных доменов в поверхностном слое магнитных материалов. Алмазным зондом можно измерить твёрдость материала с нанометровым разрешением. Всего существует более 40 методик сканирующей зондовой микроскопии. Единственным принципиальным ограничением СЗМ является то, что вся информация собирается исключительно с поверхности.

Вторым важным инструментом исследования наноструктур является электронная микроскопия (ЭМ). Мощные трансмиссионные электронные микроскопы сегодня дают субангстремное пространственное разрешение. Ограничение данного подхода кроется в том, что электроны взаимодействуют с веществом, а значит, не могут проникать глубоко. Наиболее выгодные образцы для трансмиссионной микроскопии – тонкие и твёрдые структуры, например фольги, двумерные кристаллы и т.п.

Растровая электронная микроскопия так же, как и СЗМ, позволяет получить визуальное изображение поверхности образца. Принципиальных отличия два.

Во-первых, получаемое изображение имеет только две координаты, которые можно количественно измерить (X и Y). Высоту наблюдаемых структур можно оценить косвенно, но измерить количественно невозможно (СЗМ даёт точное значение высоты в каждой точке). Во-вторых, электроны, в отличие от твёрдотельного зонда, всё же проникают внутрь материи. Поэтому в ЭМ есть возможность получить информацию о приповерхностном слое. Пучок электронов, которым сканируют объект, обладает очень высокой энергией; сталкиваясь с атомами вещества, электроны отражаются, рассеиваются, а также вызывают серьёзные изменения в электронной оболочке атомов. Анализ энергии электронов, а также рентгеновских квантов, которые вылетают из области взаимодействия пучка с веществом, позволяет получить информацию об элементном составе в приповерхностном слое объекта.

Весьма полезную информацию о внутренней структуре материи в масштабе нанометров может дать поток рентгеновского излучения. На относительно крупных неоднородностях в структуре объекта (нанометры и десятки нанометров) рентгеновские лучи могут отклоняться, и это явление лежит в основе малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). МУРР позволяет исследовать размеры и распределение наночастиц в составе взвесей, в структуре полимерных нанокомпозитов. Этот же метод помогает обнаружить и изучить наноразмерные полости, например в твёрдых пенах, а также весьма полезен при исследовании тонких плёнок. Если же неоднородности сравнимы с длиной волны рентгеновского излучения (а это ангстремы – характерные размеры атомов и атомарных решёток в кристаллах), то анализируют широкоугловое рассеяние (ШУРР). Этот метод даёт информацию о дефектах в кристаллической решётке, позволяет реконструировать пространственную организацию биологических или синтетических макромолекул.

Самым хорошим источником рентгена для подобных исследований является синхротрон, однако современное развитие компактных систем для рентгеновской дифрактометрии предоставляет в руки учёных эффективные настольные инструменты для многих прикладных задач ШУРР и МУРР.

Инструменты российского лидерства

В последние годы стало модным ругать отечественную индустрию, судачить о том, как всё плохо в нашей науке. Однако есть примеры того, как отечественные научно-производственные компании создают оборудование для самых передовых исследований даже в масштабе всей мировой науки.

Так, в подмосковном Зеленограде вот уже 20 лет работает компания «Нанотехнология МДТ». Здесь разрабатываются и серийно производятся исследовательские приборы для нанотехнологий, которые охотно приобретают ведущие научные центры по всему миру.

Ключом к успеху оказался комплексный подход к изучению наноструктур.

В конце прошлого года мы оборудовали уникальный наноцентр в Курчатовском институте, – рассказывает Виктор Быков, генеральный директор и основатель НТ-МДТ. – Основу центра составил комплекс на платформе НаноФаб 100, интегрированный с каналом вывода синхротронного излучения. НаноФаб 100 – это множество технологических модулей для формирования, обработки и анализа наноразмерных структур, собранные в единую автоматизированную систему».

Теперь у исследователей есть возможность вырастить некую структуру одним из методов молекулярной самосборки (например, в камере для роста эпитаксиальных структур), модифицировать её методами нанолокального воздействия (например, придать необходимую форму с помощью фокусированного ионного пучка, причём проделывать это можно при одновременном наблюдении с использованием колонны электронного микроскопа), а затем изучить её характеристики в модуле сканирующей зондовой микроскопии.

Вместе с источником синхротронного излучения получается полный набор того, что вообще может понадобиться учёному. Важно, что образец всё время находится в условиях высокого или сверхвысокого вакуума, а специальные технические решения обеспечивают точное его репозиционирование при транспортировке из модуля в модуль – каждый новый инструмент попадает точно в то же место на образце, с которым работали в предыдущем модуле.

Принцип интеграции различных методических подходов в единой системе отлично работает и при создании относительно компактных исследовательских приборов. Например, в Минске работает совместное белорусско-японское научное предприятие «Солар ТИИ».

Минск – это не Россия, но научная школа всё та же, советская. В своё время японцы заинтересовались нашими технологиями и наработками в области спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). С их инвестициями были разработаны спектрометры КР, недорогие, с отличными характеристиками, весьма конкурентные на мировом рынке.

Сегодня сочетание минских спектрометров и зеленоградских сканирующих зондовых микроскопов позволило создать совершенно уникальную исследовательскую систему. Этот прибор использует эффекты нелинейной оптики и, благодаря этому, обходит принципиальные физические ограничения, например предел дифракции, лимитирующий пространственное разрешение оптических методов спектроскопии. Интеграция двух подходов – спектроскопии КР и сканирующей зондовой микроскопии – дала возможность получать информацию о химическом составе поверхностного слоя с разрешением до 50 нанометров!

Другой пример. В московском Институте физической оптики с помощью патентованной технологии (так называемая «линза Кумахова») научились фокусировать рентгеновские лучи в очень узкое пятно – до сих пор никто в мире делать этого не умел. Так стало возможным проводить рентгенофлуоресцентный анализ микроскопических областей на образце. А в результате интеграции компактной микрорентгенофлуоресцентной установки с СЗМ появился ещё один уникальный прибор. Он позволяет исследовать рельеф поверхности и одновременно даёт информацию об элементном составе выбранного микроучастка образца.

Можно констатировать, что отечественное оборудование для нанотехнологических исследований занимает прочные позиции в ряду самых передовых в мире.

Понятно, что толпы галактических нанороботов, уничтожающих всё на своём пути, или, если хотите, облака вредоносной «разумной» нанопыли, – это не более чем сюжеты для околонаучной фантастики. Однако самосборка наноразмерных структур существует, это важное и чрезвычайно перспективное направление развития нанотехнологий.

Пока что мы находимся на том уровне знаний и умений, когда каждый создаваемый нанообъект приходится тщательно исследовать, и при этом необходимо контролировать все внешние условия, чтобы полученный продукт можно было бы использовать в практических целях. Это только самое начало пути, и тем приятнее осознавать, что отечественная наука и отечественные технологии находятся в авангарде этого движения. Мы взяли хороший темп на старте и, будем надеяться, нам удастся сохранить лидерство и в дальнейшем.