Нанотехнологии. Новые достижения и возможные угрозы.

Нанотехнологии. Новые достижения и возможные угрозы.

 Что нам готовят нанотехнологии? В печатных источниках сообщается, что на основе нанотехнологий могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит кардинально изменить целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также нанофильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации, электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, автомобильные каталитические конвертеры, очищающих выхлопы от вредных примесей и многое другое.

Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают $9-12 млрд. в год (на долю США приходится около 1/3 всех мировых инвестиций в нанотехнологии). Активные исследования в этой сфере ведутся в Евросоюзе и Японии, а также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. По прогнозам, к 2017 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности составит примерно 2,5  млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, прогнозируется от несколько сотен миллиардов долларов и до $1 трлн.

Нанотехнологии принято делить на три типа. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике - пример "инкрементных" нанотехнологий. 

"Эволюционные" нанотехнологии представлены наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии. 

"Радикальные" нанотехнологии пока что не встречаются, их можно увидеть только в фантастических фильмах. 

Стоит также ожидать сближения этих трех технологий. Однако переход от опытного производства в лаборатории к массовому сопровождается значительными проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе (требуемым образом) все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. 
В настоящее время наноматериалы уже используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5 % повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. В общей сложности, мировая промышленность сейчас применяет нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты постоянно увеличиваются и измеряются в млрд. долларов. Американские корпорации активно занимаются исследованиями в области нанотехнологий (нанолаборатории создали такие корпорации, как HP, NEC и IBM, университеты и власти отдельных штатов).

Перспективным направлением в сфере нанотехнологий является создание электрических магистральных кабелей на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конвертеров, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах.

Наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких областях биоиндустрии, как геномика и протеомика. Существует проект создания наносистемы для введения медикаментов, изменяющих определенные биологические функции внутри живых организмов, например, для развития или укрепления иммунитета против конкретных болезнетворных организмов. Возможно создание нанороботов-врачей, которые способны "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение. Теоретически, нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. Уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку - их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. 

Первые роботы, созданные на основе нанотехнологий, ожидаются уже в 2025 году. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. 

Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. Так, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. 
Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходы, отравляющие планету. 

Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. 

В сфере информационно-коммуникационных технологий ожидается, в первую очередь, "сказочный" уровень миниатюризации. С помощью нанотехнологий можно ожидать появления суперкомпьютера в своем кармане. 

Рост производительности полупроводниковых устройств за последние годы обеспечивался упаковкой все большего количества электронных компонентов в один полупроводниковый кристалл (в основном за счет нахождения новых и новых возможностей для миниатюризации электронных цепей). Эти возможности миниатюризации совсем скоро будут исчерпаны, поэтому именно нанотехнологии рассматриваются как один из главных путей для продолжения развития отрасли. Многие из перспективных направлений в наноэлектронике связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые обозначают общим термином "углеродные каркасные структуры". Пока ученые прилагают все усилия, чтобы выжать максимум возможного из существующих сейчас производственных технологий. Полупроводниковая промышленность постоянно уменьшала размеры компонентов схем, стремясь повысить производительность и функциональность кристаллов, и продуктов, в которых они используются. Сегодня величина кристаллов приближается к физическому пределу, т.е. размерам отдельных атомов и молекул, а это ставит под вопрос процесс дальнейшего совершенствования полупроводниковых кристаллов. 

Кристаллы в микроэлектронике производят методом фотолитографии, которая по сути своей аналогична технологии трафаретной печати, но в ней вместо краски или чернил используется свет. Фотолитографический процесс переносит различные шаблоны схемных решений на кремниевую пластину путем пропускания однородного пучка лазерного излучения через теневую маску и фокусирования его на светочувствительном материале (фоторезисте), которым покрыта кремниевая пластина. Затем выполняются операции проявления, гравирования травлением и осаждения, которые окончательно формируют элементы электронной схемы. Для изготовления процессора или микросхемы памяти могут потребоваться десятки фотолитографических циклов. 

Отрасль формировала схемные элементы все меньшего размера за счет использования все более коротких световых волн и более мощных линз. Это позволяло делать электронные устройства более компактными, производительными и экономически доступными. Самое недавнее изобретение в этой области заключается в размещении между последней линзой и кремниевой пластиной жидкости (сейчас это вода), которая дополнительно повышает разрешающую способность. Долгое время не было известно, сможет ли отрасль с помощью технологии оптической иммерсии создавать устойчиво различимые объекты с размерами менее 32 нм. Считалось, что новые материалы, необходимые для таких малых размеров, будут несовместимы друг с другом или позволят создавать только расплывчатые, смазанные шаблоны. В результате, в последние годы разрабатывались планы перехода на принципиально иные и гораздо более дорогие (но точно так же не гарантирующие успеха) технологии производства, где вместо лазерного излучения и линз используются соответственно мягкое рентгеновское излучение (вакуумное ультрафиолетовое) и экзотические зеркала. 

Но сравнительно недавно исследователи IBM объявили о том, что нашли способ совершенствования ключевого процесса производства полупроводниковых кристаллов, позволяющий уменьшить размеры создаваемых на кристалле схемных элементов до 10 нм и менее. Это достижение в перспективе способно отсрочить рискованный переход на дорогостоящие альтернативные технологии.