Самый маленький нанопинцет и перспективы нанопроизводств в России. Интервью

В мире идет интенсивная борьба за производство микроэлектронных чипов. Россия пока не находится в числе лидеров в производстве чипов, но эксперименты с новыми подходами к созданию наноустройств могут привести к значительным прорывам. В интервью с Виктором Викторовичем Коледовым, доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией магнитных явлений в микроэлектронике Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, обсуждаются важные аспекты развития нанотехнологий в России. ИА Красная Весна: Во всем мире резко обострилась борьба за создание микроэлектронных приборов, все более миниатюрных чипов. В некотором смысле наночипы стали как бы новой нефтью в борьбе мировых держав за лидерство. Некоторые эксперты считают это геополитической борьбой. Каково место и роль России в этой гонке? В. В. Коледов: Да, сейчас происходит глобальная очень острая борьба за создание и производство чипов. Эта борьба идет, в основном, между США и Китаем. Важную роль играет Тайвань. Но и Евросоюз участвует в этой гонке, инвестируя в производство микросхем в 2024 году более 100 миллиардов долларов. Россия в этой гонке пока не в лидерах. С точки зрения нанотехнологии и нанонауки, упомянутые выше чипы создаются в рамках нанотехнологической парадигмы «сверху-вниз», методами различного вида литографий. Вместе с тем, при создании наноматериалов применяются как технологии «сверху-вниз», так и «снизу-вверх». В рамках технологии «сверху-вниз» для создания наноструктурированных материалов объемный образец делится на все более мелкие фрагменты, и таким путем создается наноструктурированный материал. Но при создании наноматериалов существует и технология «снизу-вверх», при которой из единичных атомов и молекул вначале создаются мельчайшие кластеры, а из них — наноструктурированные материалы. В связи со всем этим в нашей лаборатории зародилась идея: в некотором смысле обойти лидеров гонки по созданию чипов «на повороте». А точнее применить другую парадигму создания наноустройств, а именно парадигму «снизу-вверх», и получить принципиально новые по возможностям приборы, которые невозможно изготовить в рамках сложившейся парадигмы. В настоящее время в очень многих лабораториях мира, и уже на заводах, производят огромное количество массивов нанообъектов, таких, например, как углеродные нанотрубки, разнообразные нанопроволоки, квантовые точки, графеновые листы и многое другое. Величины этих нанообъектов составляют от единиц до десятков нанометров в наименьшем размере. Вместе с тем, во многих исследовательских центрах мира созданы прототипы очень большого разнообразия индивидуальных наноприборов на их основе. Лишь небольшой список таких индивидуальных наноприборов включает: нанотранзисторы, нанодиоды, нанолазеры, нанорадио, бионаносенсоры и многое другое. ИА Красная Весна: Расскажите немного о том, а какие наноприборы уже разработаны в рамках нанотехнологии «снизу-вверх» и в чем их особенности? В. В. Коледов: Например, различные нанотранзисторы, из которых даже собирают микросхемы и целые процессоры. Также хотелось бы отметить наносенсоры, в том числе бионаносенсоры с рекордной фемтомолярной (10⁻¹⁵ M) чувствительностью. Я хотел бы отметить, что создаваемые нами нанотехнологии «снизу-вверх» будут намного дешевле, чем зарубежные технологии «сверху-вниз». И созданием наноприборов наночипов с помощью этих технологий могут заняться малые предприятия со скромным бюджетом, а также обычные кафедры институтов и университетов для исследований и обучения студентов, и даже, возможно, средние школы и техникумы, где будут обучать будущих нанослесарей для высокотехнологичных отраслей промышленности России. ИА Красная Весна: Почему именно ваша лаборатория начала работать над этой проблемой? В. В. Коледов: Несколько лет назад в результате совместной работы ИРЭ имени Котельникова, групп из МИФИ и МИСИС был создан самый маленький и самый быстрый в мире нанозахват из сплава с эффектом памяти формы (ЭПФ). Эффект памяти формы возникает при переходе металлического сплава из мартенситного в аустенитное состояние при нагреве всего несколько градусов. С помощью этого уникального наноинструмента можно отбирать из массива, захватывать, перемещать, а также проводить почти все механические операции с нанообъектами. По сути, мы получили, с одной стороны, как бы нанопальцы для работы в наномире, с другой стороны — первый инструмент для наномастерской. Также уже созданы «нанонож»», «нанопила», «наноплоскогубцы». Мы уверены, что процесс только начинается, и в недалеком будущем будут созданы другие механические наноинструменты. ИА Красная Весна: Почему именно ваша лаборатория начала работать над этой проблемой? В.В. Коледов: Прежде всего это трудности работы в наномире, где проявляются эффекты физики наномира, к которым мы не привыкли в нашей обыденной жизни. В некотором смысле, работу в наномире можно сравнить с полетом в космос, настолько неожиданные явления нас подстерегают. Например, некоторые нанотрубки сами врывались в пространство между губками нанозахвата при приближении нанозахвата к нанотрубке. А в других случаях, наоборот, особые силы молекулярного притяжения настолько сильно прижимали нанообьект к инструменту, что объект не удавалось отделить от инструмента и он разрушался. В то время как физические основы технологии «сверху-вниз» были созданы еще в 70-х–80-х годах прошлого века, и над ними работали много больших институтов по всему миру, новой технология механической наносборки единичных наноустройств «снизу-вверх» всего чуть больше 10 лет, и работают над ней единичные группы и ученые.Так что ей еще надо пройти большой путь, в том числе вначале в области фундаментальной науки. На этом пути, кроме технологических достижений, происходит открытие новых законов физики, что само по себе имеет ценность. Поэтому последние годы мы трудимся в рамках проектов, поддержанных Российским научным фондом. И я уверен, что со временем эта технология займет достойное место, как в технологии производства уникальных индивидуальных наноприборов, так и в изготовлении сложных специальных чипов. ИА Красная Весна: Расскажите о путях создания технологии «снизу-вверх»? В.В. Коледов: Образно говоря, если предтечей технологии «сверху-вниз» была литография для изготовления гравюр, то в некотором смысле предтечей нанотехнологии «снизу-вверх» были детские игрушки, конструкторы, кубики, из которых дети делают различные трехмерные игрушки — домики, машинки, пирамидки. В рамках технологии «снизу-вверх» необходимо вначале отобрать единичную нанотрубку или другой нанообъект из массива, захватить его, отсоединить от предыдущей подложки и перенести на новую подложку, где будет собираться наноприбор. На рисунке показано, как нанозахват захватывает нанопроволоку из полупроводника оксида цинка и переносит ее на подложку. При создании наноприборов также важно обеспечить прочный механический, если надо — электрический, а возможно, акустический и оптический контакты между деталями наноприбора. За осуществлением каждой из этих операций в настоящее время стоят серьезные физические исследования, которые и обеспечат технологический процесс. В частности, для создания нанотранзисторов на основе нанопроволок и нанотрубок необходимо подвешивать и припаивать нанопроволоки и нанотрубки к электродам. ИА Красная Весна: Какие трудности надо преодолеть, чтобы технологии «снизу-вверх» стала таким же значимым фактором, как и технология «сверху-вниз», и какие успехи в этой области уже сейчас? В. В. Коледов: Одним из первых проектов, который мы инициировали, был проект БРИКС, который профинансировал Российский фонд фундаментальных исследований. В рамках этого проекта мы собрали ведущих ученых всех пяти стран БРИКС, которые высказали очень большую заинтересованность в участии проекта по созданию технологии трехмерного механического наноманипулирования и наноассамблирования «снизу-вверх» с помощью нашего нанозахвата с эффектом памяти формы. При обсуждении нужности данного направления руководитель со стороны Бразилии — профессор М. Котта сказала, что на основе нанопроволок она уже сделала самый чувствительный биосенсор для обнаружения единичных вирусов Шагала, очень тяжелой болезни часто со смертельным исходом. Для изготовления единичного наносенсора для этих целей ей потребовалось 2 года. А мы предлагаем технологию, с помощью которой можно в будущем промышленно собирать такие наносенсоры. Хотелось бы также отметить, что в настоящее время наноассамблирование «снизу-вверх» осуществляется с помощью жидкостных технологий, а также с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Жидкостные технологии не могут обеспечить точность позиционирования, сравнимую с технологией «сверху-вниз», так как жидкости имеют только дальний порядок. У технологии АСМ имеются свои недостатки, в том числе небольшая скорость процесса и невозможность выйти из плоскости с двумя координатами. Потому, имеющая опыт руководитель проекта со стороны Бразилии очень заинтересовалась созданием нанотехнологии, с помощью которой можно будет создавать достаточно быстро много таких наносенсоров. Для продвижения к созданию технологии трехмерного механического наноманипулирования и наноассамблирования «снизу– вверх» с помощью нанозахвата с эффектом памяти формы вначале для мелкосерийного, а затем для массового производства нужно решить несколько задач, наиболее первоочередная из них — это быстрота срабатывания нанозахвата. В настоящее время в рамках выполнения проекта 22-19-00783 Российского научного фонда коллектив работает над быстродействием нанозахвата и опять побивает все мировые рекорды. В настоящее время уже достигнута скорость срабатывания более 10 000 циклов в минуту. То есть, применяя нанозахваты, работающие с такой скоростью, выстраивая схемы нанороботики с параллельно двигающимися нанозахватами, можно достичь очень быстрой наносборки наноприборов. Другая проблема — точное позиционирование нанопроволок по углам поворота. И здесь наметились большие сдвиги в решении этой проблемы. Также создан первый вариант технологии нанопайки и наносварки для создания электрических контактов. И, наконец, так как идет борьба за уменьшения размеров чипов, то большое значение играет размер нанозахвата. Обычно, мы хорошо манипулируем предметами, размеры которых не очень сильно больше, чем предмет, который двигают, вращают, толкают. Так как сейчас идет борьба за нанометровые нанотехнологии, то важно, какой самый маленький нанозахват можно сделать. Работы по определению минимальных размеров нанозахвата также велись в рамках нашего проекта 22-19-00783. Фундаментальные основы физики говорят о том, что минимальный размер нанозахвата будет определяться минимальным размером материала с памятью формы, при котором еще идет фазовый переход из мартенситного в аустенитное состояние. Этот размер составляет примерно 30 нанометров. С помощью таких нанозахватов можно будет наноассамблировать наночастицы порядка нескольких нанометров. ИА Красная Весна: Какие применения кроме наноэлектроники могут оказаться перспективными для новой технологии механической наносборки «снизу-вверх»? В.В. Коледов: Конечно, это биомедицина. Посмотрите серию фото на рис. 5. Они показывают процесс отделения от тела обычного комара самого тоненького волоска. Вы спросите, зачем ученые занялись эпиляцией насекомых? Не удивляйтесь, но то, что мы называем волосками на усиках насекомого, биологи называют сенсиллами. Сенсиллы самых обычных насекомых — это сверхчувствительные, сверхминиатюрные, сверхнадежные, да к тому же и сверхдешевые сенсоры широкого спектра назначений: вибрации, звука, запаха. Каждая сенсилла состоит из субмикронного размера трубочки из биополимера — хитина, внутри которой расположено нервное окончание, а на самом торце — миниатюрный наноорган, который и позволяет шестиногому созданию чувствовать буквально единичные молекулы запаха или ничтожную вибрацию. Вся современная нанотехнология может только в мечтах приблизиться к природе по таким параметрам информационных систем, как миниатюрность, экономичность, точность и чувствительность измерений, которые давным-давно освоены природой в ходе эволюции живых организмов. Нашу лабораторию связывает тесная творческая дружба с петербургскими энтомологами из Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова Российской академии наук в Санкт-Петербурге, вместе с которыми родилась и реализуется идея создания с помощью самых миниатюрных механических нанопинцетов с эффектом памяти формы миниатюрной системы для изучения органов чувств насекомых. С помощью этой технологии наши вьетнамские партнеры из Института материаловедения Вьетнамской академии наук и технологий уже создали наносенсор свежести мяса, который вполне можно поместить в мобильный телефон. В заключение хочу поделиться убежденностью, что наноинформационные системы, которые мы создаем, и сверхсложные живые биосистемы, которые создает природа и которыми, в сущности, мы сами являемся, — это только полигон для испытаний или учебный класс для повышения уровня сознания Человека. Не простого потребителя, а Творца. В заключение хочу поделиться убежденностью, что наноинформационные системы, которые мы создаем, и сверхсложные живые биосистемы, которые создаёт Природа, и которыми в, сущности, мы сами являемся, это — только полигон для испытаний или учебный класс для повышения уровня сознания Человека. Не простого потребителя, а творца. glavno.smi.today