Нанотехнологии, наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями, возможно, станут фундаментом научно-технической революции в XXI веке. Революцией, сравнимой и даже превосходящей по своим масштабам преобразования в технике и обществе, вызванные крупнейшими научными открытиями XX века.

Немного терминов

Нанотехнология — совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнологии обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Наноматериалы — материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистемная техника — полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

  элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);

  устройства сверхплотной записи информации;

  телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;

  видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;

  молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;

  нанолитография и наноимпринтинг;

  топливные элементы и устройства хранения энергии;

  устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;

  нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;

  авиационные, космические и оборонные приложения;

  устройства контроля состояния окружающей среды;

  целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;

  биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;

  регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Перспективы использования нанотехнологий в ИТ

Компьютерная техника и электроника, вероятно, одними из первых получат реальную возможность использования нанотехнологий на практике. Уже в недалеком будущем произойдет многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации. Отдельные вычислительные компьютерные и сетевые «островки» трансформируются в глобальную информационную сеть огромной производительности. Симбиоз био-, нано- и компьютерных технологий может сделать реальностью для каждого человека непосредственный доступ головного мозга и органов чувств к мировым вычислительным ресурсам.

Прогноз развития нанотехнологий

Источник: Nanotechnology News Network, 2004 г.

На основании имеющихся прогнозов можно сделать вывод, что нанотехнологии произведут фурор как в современном производстве и связанных с ним технологиях, так и в человеческой жизни в целом. По мнению экспертов, нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Но это всё далекие и не очень далекие планы. А что же сейчас происходит в этой области науки и какое влияние она оказывает на сегодняшний день?

Финансирование наноисследований и наноразработок в мире

По данным, опубликованным в экспресс-бюллетене «ПерсТ» («Перспективные технологии: сверхпроводники, фуллерены, наноструктуры»), объемы финансирования наноисследований и разработок в мире за 2004 г. увеличились почти на 18% и оцениваются в $8,8 млрд., для сравнения, в 2003 г. — $7,5 млрд. Ожидается, что к 2015 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит $1 трлн. Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. — 88546, из которых 64% — патенты США.

Финансирование наноразработок в мире в 2004 году

Источник: экспресс-бюллетене «ПерсТ»

Необходимо отметить быстрый рост вложений в нанотехнологии в период 1997–2004 гг., обусловленный осознанием фактического прогресса этой области исследований и разработок. Россия — явный аутсайдер в списке разработчиков в области нанотехнологий.

Динамика бюджетных инвестиций в наноразработки за период с 1997 по 2004 годы ($ млрд.)

Источник: экспресс-бюллетене «ПерсТ»

Прогнозы роста рынка нанотехнологий

Исследователи предполагают, что объем рынка нанотехнологий будет расти каждый год на 40% в течение 10–15 лет. Предполагается, что рынок нанобиотехнологий составит $125 млрд. к 2008 году, а рынок информационных технологий вырастет до $1,5 трлн. к 2006 году.

Top10 нанопродуктов 2004 года

Компания NanoBillboard.com опубликовала список 10 лучших на сегодня продуктов, созданных с помощью нанотехнологий. Критериями отбора продуктов были следующие: популярность на рынке; использование нанотехнологий; применение продукта в повседневной жизни.

1) Органические светоизлучающие диодные дисплеи (Organic Light Emitting Diode OLED Displays) — это ультратонкие дисплеи. Они тоньше и легче современных LCD-дисплеев, поэтому практически идеально подходят к применению в мобильных телефонах, карманных компьютерах, цифровых камерах и фотоаппаратах. Эти дисплеи собраны из нескольких слоев нанопленок, содержащих матрицы электродов, и расположенного между ними светоизлучающего органического полимера. Изображения на дисплее можно рассматривать под разными углами без потери качества.

2) Наноэмульсии и антибактериальные нанопокрытия.

3) Нанокапсулы — это «контейнеры для лекарств», которые созданы искусственно и имеют размеры от 100 до 600 нанометров.

4) Наножидкостные системы, имеющие каналы диаметром в несколько десятков и сотен нанометров, смогут работать в составе лабораторий-на-чипе, которые проводят экспресс-анализы ДНК, белков, и других биомолекул.

Биочипы представляют из себя матрицу — крохотную пластинку со стороной 5–10 миллиметров, на которую можно нанести до нескольких тысяч различных микротестов, — ее еще называют «платформой». Чаще всего используют стеклянные или пластиковые платформы, на которые наносятся биологические макромолекулы (ДНК, белки, ферменты), способные избирательно связывать вещества, содержащиеся в анализируемом растворе. Это необычное устройство позволяет за короткое время определять несколько тысяч различных биологически активных веществ и даже генетических дефектов. Технология белковых биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов. В зависимости от вида используемых макромолекул, выделяют различные виды биочипов, т.е. предназначенные для разных целей. Основная доля производимых в настоящее время биочипов приходится на ДНК-чипы (94%), т.е. матрицы, несущие молекулы ДНК, 6% — белковые чипы.

5) Наноэлектронные устройства с тактовой частотой 1ГГц. В 2004 году был сделан ряд важных исследований, по результатам которых стало возможным создание рабочих наномеханических и наноэлектронных систем с тактовой частотой около 1 ГГц. Это разнообразные осцилляторы; модули механопамяти нанометровых размеров; датчики на основе нанотрубок и т.п. В основном эти устройства изготовлены на кремниевых подложках методами электронно-лучевой литографии.

6) Нанокатализаторы для автотранспорта. Различные нанокатализаторы уже применяются при обработке сырой нефти.

7) Устройства на основе нанотрубок. Нанотрубки уже зарекомендовали себя как универсальный стройматериал наноэлектроники. С их применением получаются и осцилляторы, и диоды, и транзисторы, и наножидкостные устройства. Нанотрубками сегодня даже убивают бактерий. Со временем, когда технология их производства и применения будет отточена, они займут 1-е место по продажам на рынке нанотехнологий. Примеры их современных применений велики — от дисплеев на нанотрубках, до велосипедов, в которых нанотрубки обеспечивают жесткость материала.

8) Нанокристаллы. Их получают методами испарения и конденсации металлов. Полученные нанокристаллы размерами в несколько нанометров в диаметре обладают уникальными характеристиками.

9) Наноэлектромеханические системы (НЭМС). В отличие от микроэлектромеханических систем, которые появились в 1980-х, НЭМС находятся на ранних стадиях развития. Но наноэлектромеханические системы развиваются столь быстро благодаря новым научным открытиям и появлению их технических применений. Механические устройства уменьшаются в размерах, при этом снижается их масса; увеличивается резонансная частота и уменьшаются их константы взаимодействия. Используя НЭМС-технологию, можно ожидать появления высокофункциональных сенсоров и сверхъемких устройств для хранения информации.

10) Бытовые продукты, улучшенные с помощью нанотехнологий.

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100 тыс. электронов для того, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.