Об изучении основ нанотехнологий

Как известно, в настоящее время повсеместно происходят коренные изменения в сфере высоких технологий, касающихся всех областей человеческой деятельности, науки, техники. Это связано с фундаментальными и прикладными исследованиями и практичес- ким использованием материалов и устройств, элементы которых имеют размеры менее 100нм, т.е. c нанотехнологиями.

Нанотехнология – это совокупность методов и приемов структурирования веществ на атомном и молекулярном уровнях в целях производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. При этом получаются продукты, имеющие принципиально новые качества и позволяющие их интегрировать в функционально законченные большие системы с уникальными характеристиками. Причем, главное не столько в том, что эти продукты, системы имеют наноразмеры, а принципиальным является квантовый характер нанообъектов и возможность целенаправленного их получения на атомно-молекулярном уровне с уникальными, качественно новыми свойствами, эксплуатационными характеристиками и возможностями использования.

Сегодня часто используют термин Форсайт. Буквально это слово обозначает «взгляд в будущее», служит для прогнозирования перспектив развития в социально-экономической сфере, образовании, науке и технологии. Иначе говоря, Форсайт содержит элементы влияния на будущее. В этом плане нанотехнологии являются определяющим направлением развития человечества. При этом, наноиндустрия является ключевым фактором такого развития стран в ближайшие годы, имеет наивысший приоритет в развитых странах, так как определяет уровень экономического и социального развития уже в первом десятилетии ХХ1 века.

Казахстан является приверженцем такого направления развития. А поскольку Алматинский технологический университет готовит конкурентноспособных, высококвалифицированных специалистов для индустрии республики в части пищевой, легкой и перерабатывающей промышленности, то естественно сопричастен к этому важнейшему направлению.

Нанотехнологии несомненно оказывают огромное воздействие на экономику, общественную жизнь, промышленность, на все без исключения сферы человеческой деятельности. Перечислить все области, в которых нанотехнологии существенно влияют на научно-технический прогресс в рамках данной статьи практически нереально, можно назвать только некоторые из них:

• •    элементы наноэлектроники и нанофотоники (транзисторы, лазеры, солнечные элементы, сенсоры, устройства сверхплотной записи информации);

• •    телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, видеотехника (плоские экраны, мониторы,

видеопроекторы);

• •    молекулярные электронные устройства, литография, устройства микро- и наномеханики (нанороботы, наномоторы);

• •    топливные элементы, устройства хранения энергии;

• •    нанохимия и катализ;

• •    устройства авиационного, космического и оборонного назначения;

• •    устройства контроля и состояния окружающей среды;

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

• •    регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов;

• •    наноструктурные материалы и методы их обработки, сверхлегкие и cверхпрочные материалы, моделирование и расчет наноматериалов и нанопроцессов.

Развитие нанотехнологий уже вызвало к жизни новые отрасли и разделы знаний. Например, такие, как: новые разделы физики и химии, наноэлектроника, наномеханика, наноэлектродинамика, нанооптика, нанометрология, теория и моделирование каталитических реакций, процессов их протекания. Появились такие новые разделы нанотехнологий, как: молекулярно-лучевая эпитаксия, нанолитография, гетерогенные каталитические реакции, стимулирование реакций полем и светом. В нанобиологии качественно новый уровень получило создание и применение новых наноматериалов для производства лекарств, продуктов питания.

Несомненно, быстрое развитие этих и других новых отраслей требует коренной перестройки образовательных принципов и технологий получения и использования быстро пополняемых знаний.

Наномир в корне меняет большинство привычных представлений о характере физико-химических превращений вещества, об их свойствах. Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в наибольшей степени наукоемкими и стимулирует такие прикладные направления, как:

• -    атомно-молекулярный дизайн,

• -    технологии, основанные на математическом моделировании; метрологии, на специальных разделах биологии, вычислитель-

• ной химии и физики, использования иерархически структурированного математического обеспечения в виде проблемноориентированных комплексных программ с развитыми средствами интерфейса и визуализации результатов вычислений.

К основным направлениям развития нанотехнологий следует отнести:

• -    в наномашиностроении, наномеханике: создание станочного оборудования прецизионной точности (с точностью позиционирования в доли ангстрем), специализированного оборудования для нанобиологии, например, нанороботов, создание и развитие нанопроизводств на основе самосборки и самоорганизации;

• -    в наноматериалах: получение и производство сверхпрочных и сверхлегких материалов, композитных материалов, в том числе с применением нанотрубок, высокодисперсных порошков, материалов, изменяющих свои свойства (цвет, магнитные, электрические, механические и др.);

• -    в наноэлектронике и нанофотонике: квантовые нити, как сверхпроводящие устройства и генераторы в субмиллиметровом диапазоне волн, нанотранзисторы, запоминающие энергонезависимые устройства на основе квантовых точек для терабитной памяти, нейроструктуры для нейрокомпьютеров, сенсоры, усилители, генераторы и логические устройства для обработки информации в диапазоне терагерцы, создание высококачественных безопасных миниатюрных дисплеев и других устройств отображения информации.

Нанотехнологии отличаются многообразием и универсальностью средств и их следует рассматривать в совокупности как систему. Такая система имеет грандиозную, глобальную цепь и включает в себя не только высокие технологии, новые инструменты науки и производства, новые продукты интеллектуальной деятельности, новое понимание социальной роли человека, но и требует обучения основам нанотехнологий, подготовки специалистов для использования, в т.ч. в образовательном процессе и для научных исследований.

Нанотехнологии – это прорыв в будущее, но требующий уже сегодня в этой сложнейшей, наукоемкой области высоких знаний современных специалистов. Поэтому изучение основ нанотехнологии – чрезвычайно сложной, профессионально много- плановой междисциплинарной области, объединяющей усилия химиков, физиков, математиков, специалистов в области вычислительной техники с тем, чтобы стать успешным и конкурентноспособным специалистом, является неотложной задачей.

Естественно, что изучение основ нанотехнологий следует для различных выпускающих специальностей университета в разном объеме, с дифференцированной степенью детализации. Для одних специальностей, например, технологических, это могут быть элективные курсы или разделы отдельных дисциплин, для других - только разделы профильных дисциплин. Но ясно, что для всех специальностей это должны быть обязательные разделы физики, химии.

Особое место такие знания основ нанотехнологий занимают для специалистов факультетов: пищевого, технологического, «Инжиниринг и информационные технологии». Что касается последнего. Поскольку в нанотехнологиях, в частности, в направлении наноэлектроники уже имеется существенный прорыв, компьютерная техника и электроника, вероятно, одними из первых получат, а в части изготовления чипов, например, микропроцессоров, уже получили, реальную возможность использования таких достижений на практике, остановимся на этом направлении поподробнее.

Как известно, в современных условиях научно-технического прогресса, информационным технологиям уделяется приоритетное внимание, и их развитие в значительной степени зависит от высоких технологий и, в частности, электроники. С этой целью разрабатываются национальные программы развития электроники. По отношению к ним предусматривается приоритетная поддержка, включая не только прямое государственное финансирование и различные льготы, но и подготовку молодых специалистов.

Реальная экономическая ситуация на сегодня такова, что электроника, микроэлектронная техника, информационные технологии стали решающими не только в техническом, экономическом, но и в интеллектуальном плане.

Мировое потребление электронной продукции неуклонно растет и ежегодно увеличивается на 15%, а в странах Азии и Тихоокеанского региона - на 20% .

Технический уровень современного микроэлектронного производства опреде- ляется такими основными параметрами, как: - классом чистоты технологических помещений;

• -    диаметром обрабатываемых полупроводниковых пластин;

• -    технологическими параметрами.

В этом плане мировой уровень на сегодня таков, что класс чистоты технологических помещений близок к единице, диаметр обрабатываемых кремниевых пластин – 200 – 300 мм. , а топологические нормы - на уровне десятков, сотен нанометров.

Известно, что основной тенденцией развития микроэлектроники является увеличение степени интеграции. Число элементов, входящих в состав микросхем, удваивается каждые 1,5 – 2 года и достигло сотен миллионов на квадратный сантиметр. Однако на пути продолжения этой тенденции встают барьеры: технологический, физический, энергетический.

Что касается первого из них. В основе технологии производства интегральных микросхем лежит литография. На сегодня она достигла своего физического совершенства и ограничивает увеличение степени интеграции микросхем. Рентгеновская и лазерная литография пока еще не нашли должных масштабов промышленного применения. Но следует ожидать, что они, например, фотолитография с ультракороткими лучами (с жесткими ультрафиолетовыми лучами), позволят получить разрешение элементов схемы порядка 10 нм. и разместить на кристалле площадью 1 см 2 порядка 109 транзисторов. Это может произойти в ближайшие годы, Сегодня интегральные микросхемы, например, корпорации Intel, уже делаются по технологии 65-45 нм. Так, компьютер, Pentium 4 Dual Core, изготовленный по технологии 65 нм и работающий на частоте 3.4 Ггц, содержит 1.7 миллиарда транзисторов. Началось массовое производство процессоров Penryn, характерные структурные элементы которого имеют размер 45 нм, а опытные образцы других моделей получены с разрешением 15-18 нм. [1].

В части физического барьера до сих пор остается множество вопросов, связанных с его преодолением. Среди них стоит острая проблема межсоединений. Дело в том, что в современных интегральных схемах межсоединения занимают от 70 до 90% их площади и лишь менее четвертой части, в среднем, – транзисторы. Следовательно, существует необходимость перехода от микро-к нанометровым масштабам, т.е. к наноэлектронике. Но это в корне меняет подход к изучению и тем более к использованию физических, технологических процессов.

Как известно, в основе физики микроэлектроники лежит использование полупроводников и, следовательно, такое фундаментальное понятие, как энергетический барьер. В традиционных схемах микроэлектронной схемотехники устройства всегда имеют «вход» и «выход» и связаны между собой в электрической схеме с помощью гальванических или емкостных связей. Информация обрабатывается и хранится в виде битов, которые физически реализуются в виде тока, напряжения или заряда в определенной точке интегральной схемы.

В наноэлектронных устройствах физические основы работы наноэлементов иные. В них используются уже не электроны, как частицы, переносящие заряд, а их волновые функции. Процессы дрейфа и диффузии, характерные для микроэлектронных элементов, в наноэлементах отсутствуют и в основе лежат полевые связи, сформированные потенциальные барьеры. «Вход» и «выход» наноэлементов локализованы не в пространстве, а во времени. Поэтому эти понятия существуют не на постоянной основе, а только в определенные промежутки времени, т.е. в рефлекторные периоды. Распространение сигнала в определенном направлении возможно только в эти периоды.

Исключительно малая инерционность электронов позволяет эффективно использовать взаимодействие их с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки для создания приборов и устройств нового поколения, отличающихся высокой производительностью, сверхмалым потреблением энергии, сверхминиатюрными размерами.

Наноэлектроника - это логическое развитие микроэлектроники, позволяющее уменьшить информационные приборы от микро (10-6 м.) до нанометрового размера (10-9м.) при одновременном существенном улучшении качественных показателей. Начало нанотехнологий лежит в микроэлектронике. Еще более впечатляющие перспективы таит функциональная электроника, спино-электро-ника.

На сегодня при подготовке молодых специалистов в программах обучения университета отсутствуют разделы, связанные с изучением перспектив использования наноэлектроники, как направления, в котором изучаются физические явления и процессы взаимодействия электронов с электромагнитными полями, а также разработки нанотехнологии создания приборов и устройств, в которых указанные взаимодействия применяются для передачи, обработки и хранения информации. Между тем, знание и использование информационных технологий является необходимым для любого современного специалиста, работающего практически во всех отраслях производства, науки техники, областях культуры и искусства. Следовательно, существует обьективная необходимость овладения каждым молодым специалистом знаниями наноэлектроники.

Представляется целесообразным начала наноэлектроники ввести во все курсы, связанные с дисциплинами «Микроэлектроника», «Схемотехника», «Архитектура компьютерных систем» и т.п. в виде разделов, а для старшего курса, включая основы функциональной электроники, очевидно, как самостоятельный курс или по выбору.

Что касается содержания и методических вопросов изучения основ наноэлектроники. В основе функционирования наноэлементов, предназначенных для кодирования, обработки и хранения информационных массивов, лежат квантовые эффекты. Функциональным явлением в квантовых структурах является связанность дискретной составляющей системы с дискретностью квантово-размерного спектра. Рассмотрение волновой функции электрона в твердотельных наноразмерных структурах сопряжено с эффектом квантового ограничения, интерференцией, дифракцией волновой функции электрона, туннелирования через потенциальный барьер. Следовательно, в программах обучения, например, по физике, целесообразно рассмотреть квантовые эффекты, наноразмер-ные структуры и явления взаимодействия между ними, контролируемой дислокации волновой функции в наноструктуре.

В числе новых транзисторных структур представляет интерес изучение полевых транзисторов, транзисторов с резонансным туннелированием, квантовых приборов наноэлектроники (вентили, интерферометры, каскадные лазеры), в т.ч. одноэлектронные приборы. Еще более разумным бы явилось изучение раздела по наноэлектронике в специальном курсе «Основы нанотехнологий».

В части изучения основ нанотехнологий по специальностям пищевой промышленности. Очевидно, представляет значительный интерес рассмотрение коллоидно-дисперсных систем, физических и химических методов получения ультрадисперсных порошков (УДП), использования нанодисперсных материалов, полимерных нанокомпозитов, нанотрубок.

Следует ожидать, что самыми массовыми нанопродуктами окажутся разного рода композитные материалы, сплавы и покрытия, приобретающие благодаря своей микроструктуре особые свойства. При этом в одном материале могут совмещаться крайне противоречивые свойства, например, в силу того, что в них аморфные и нанодисперсные состояния могут кардинально отличаться от их кристаллических форм.

Уникальными каталитическими свойствами обладают УДП. При их добавлении в жидкость даже при объемной концентрации в 5%, ее вязкость возрастает на 2-4 порядка. Важное свойство УДП – снижение их температуры спекания.

Одно из перспективных направлений в наноматериаловедении – разработка технологии получения полимерных материалов. Такие технологии могут найти широкое распространение в изготовлении контейнеров, упаковок пищевых продуктов различной формы и назначения, обладающих всеми качествами многофункциональных материалов – жаропрочностью, морозостойкостью, сверхвысокой прочностью, в холодильной и другой технике.

Перспективно использование нанопо-ристых материалов, обладающих тремя важными свойствами взаимодействия с окружающей средой: адсорбция, фильтрация, катализ. Они имеют такие привлекательные характеристики, как температурную и химическую стабильность, механическую прочность, низкую стоимость, технологичность.

Ключевым фактором в исследовании нанотехнологий стало открытие и использование фуллеренов и углеродных нанотрубок. Сферические молекулы фуллерена С60 и свернутые в трубочку графитовые плоскости потрясли не только физиков и химиков, но материаловедов с технологами. Парадоксально, что элемент, ответственный за жизнь, способен и без помощи кислорода и водорода, образовывать гигантские молекулы, длина которых в миллионы раз превышает их диаметр.

Известно [2,3], что нанотрубки обладают уникальными сорбционными свойствами, которые обусловлены рекордным значением удельной площади поверхности (2600 м2/г). Благодаря этому, а также наличию внутри нанотрубки естественной полости, она способна поглощать газообразные и конденсированные вещества. Поскольку диаметр внутреннего канала лишь в 2-3 раза превышает характерные размеры молекулы, капиллярные свойства нанотрубки, позволяющие впитывать в себя жидкие вещества, проявляются в нанометровом диапазоне. Еще более заманчивые перспективы таит совместное использование фуллеренов и нанотрубок, формируя новые уникальные структуры, например, углеродные пиподы («горошины в стручках»).

Перспективным является получение из УДП нанокристаллических материалов. К их новым уникальным свойствам относится повышенная диффузионная подвижность и высокая химическая активность, что позволяет использовать нанокристаллические материалы в каталитических и абсорбционных процессах, а также осуществлять диффузионное легирование с образованием межзеренных метастабильных или стабильных фаз в твердом состоянии. Наличие нанокристалли-ческой структуры оказывает сильное влияние на взаимную растворимость элементов в твердом состоянии.

Грандиозные перспективы ожидают биотехнологии и, прежде всего, это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, проблемам качества продукции и защиты окружающей среды. Отсюда, подлежат освещению в учебных программах вопросы использования при производстве пищевых продуктов цеолитов, уже успешно применяемых при производстве комбикормов и кормовых концентратов, технологии направленного белкового синтеза.

Известно [3], что в настоящее время во всем мире пищевыми компаниями проводятся интенсивные исследования в области нанобиотехнологий функциональных пищевых добавок и веществ с применением методов ультра- и нанофильтрации, нанокапсулиро-вания, дезинтеграции, а также с использованием направленной контролируемой ферментативной модификации нанобиоструктур, например, сыров, йогуртов. Как отмечено.

нанотехнологически измененные продукты позволят улучшить здоровье людей. Предложено создавать наноконтейнеры из витаминов и пищевых кислот. Капсулы размером 10100 нм значительно лучше растворяются, а потому подвижнее и эффективнее обычных вкусовых и ароматических капельных добавок. Из [3] известно, что этот метод предложен для усиления аромата кофе, который проявляется под воздействием горячей воды, придавая необходимый стойкий вкус. Очевидно, введением в нанокапсулы тех или иных компонентов можно получить самые разнообразные вкусовые оттенки.

Представляет интерес использование наноразмерных сит, эффективно разделяющих (сепарирующих) составляющие продукта, например, молока на протеины, полихлориды и молекулы жирных кислот, как это необходимо при производстве сыров.

С помощью нанотехнологии появляется практическая возможность конвергенции неорганических, органических и биологических объектов, что позволит создавать принципиально новые типы пищевых технологий.

Интересно изучение вопросов увеличения сроков хранения продуктов, упакованных в специальную оболочку, например, диоксида титана (нанофольга), который будучи нано-размерным, также усваивается организмом.

В части специальностей, связанных с использованием текстильных материалов и технологий, представляет интерес изучение новых нанотканей, полученных из нанотрубок, использование графеновых и прозрачных пленок, ультратонких лент, нанопоясов, материалов типа «щетка», нанопокрытий для одежды, «умной » одежды, нейлонового нанокомпозита

Ясно, что чем меньше размеры изделий нанотехнологий, тем выше требования к диапазону измеряемых их параметров. Нужно измерять меньшие геометрические размеры, физические. Электрические и другие параметры, слабые сигналы, излучаемые часто отдельными молекулами и атомами различных материалов, оценивать их спектры, охватывающие уже диапазоны миллиметровых волн и частоты в сотни - тысячи гигагерц. Все это требует современной метрологической и инструментальной базы, ее не только наличия, но и изучения. Без арсенала приборов, инструментария студенты университета, преподаватели, научные работники окажутся вынужденными постигать основы нанотех- нологий не более, чем теоретически, Это естественно необходимо, но недостаточно, в особенности для проведения практических занятий, лабораторных работ, выполнения научных исследований.

Представляется целесообразным, кратко отмеченные выше и многие другие вопросы нанотехнологий, ориентированные на определение конкретных продуктов, инновационные свойства которых будут определяться известными и принципиально новыми компонентами, должны стать предметом неотложного изучения и исследований не только докторантами PhD, магистрантами, но бакалаврами – специалистами: пищевиками, технологами, в области информационных технологий и другими, выпускаемыми университетом специалистами.