Нанотехнологии и зондовая микроскопия

В.В. Лучинин, д-р техн. наук, проф. Санкт- Петербургский государственный электротехнический университет

ВВЕДЕНИЕ В ИНДУСТРИЮ НАНОСИСТЕМ

Представлен системный подход к индустрии наносистем как приоритетному направлению развития науки и техники.

Дано определение основных понятий, используемых в индустрии наносистем, и определен ее научно-производственный и образовательный базис с учетом интеграции с приоритетными направлениями развития науки, техники и технологии.

Введение

В социально-экономических приоритетах государства особое место должно занимать развитие наукоемких отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости. Для лидеров мировой экономики на современном этапе, таким направлением, безусловно, является нанотехнология[1, 2].

Целью настоящей статьи является краткое изложение системного подхода к "индустрии наносистем " как приоритетному направлению развития науки и техники, фактору, определяющему повышение роли высоких технологий в экономике государства, стимулирующему решение социально-значимой для России задачи: "сохранению человеческого капитала" — носителя генетического, культурного и технологического наследий.

Методологические основы индустрии наносистем

В наших более ранних работах [3, 4] отмечалось, что в основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании.

Возьмем на себя ответственность изложить некоторые методические понятийные аспекты нового научно-технического направления.

Обратимся к важнейшему фактору — геометрическому размеру и приставке "нано", входящей в ряд основных, наиболее часто используемых в официальных документах, понятий: нанотехнология, наноматериалы, наносистемы.

Первоначально обратим внимание на исходные смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов:

микро - (от греч. mikros — малый);

нано - (от греч. nannos — карлик).

Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не присущих макро- и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм [5]. Однако вполне очевидно, что некоторый характеристический размер, идентифицирующий изучаемый объект по геометрическому параметру (толщина пленки, диаметр кластера или нанотрубки), должен рассматриваться не просто как абсолютная величина, а в отношении к определенным фундаментальным параметрам материалов, имеющим аналогичную метрическую размерность. Особенно сложно определить границы геометрического фактора применительно к биоорганическим объектам, обладающим многообразием связей и конформаций. Поэтому приставка "нано" скорее особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто характеристика протяженности базового структурного элемента.

Необходимость данного замечания обусловлена следующим. К сожалению, термины "наноматериалы" и "нанотехнологии" стали настолько модными и "экономически привлекательными", что многие традиционные разработки атомно-молекулярного уровня искусственно приобрели имидж "нано". Наряду с определенной конъюктурой, это безусловно связано и с тем, что, как отмечалось в предисловии редактора русского перевода к одной из первых в России иностранных книг по нанотехнологии [6], "нигде не проводится систематизация объектов и процессов нанотехнологии".

Развивая и обобщая наши представления об индустрии наносистем [3, 4], а также анализируя ранее опубликованные работы [1, 2, 5, 6, 7], вынесем на обсуждение ряд базовых понятий с приставкой "нано", наиболее полно отражающих именно проявление функционально-системных свойств, а не только чисто геометрических особенностей (параметров) объектов.

Наносистема — материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, гигантских эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Наноматериалы — вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуре- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанодиагностика — совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наносистемотехника — совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.

Наряду с определением ранее указанных понятий, основой которых, в первую очередь, является естественно-научный базис, сделаем попытку представить широко используемые в литературе термины [1], вызывающие неоднозначное их восприятие.

Нанонаука — система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов.

Нанотехника — машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Фундаментальные основы индустрии наносистем

В основе системы знаний об объекте исследований безусловно лежит анализ его вещественно-материального базиса, структурного упорядочения и устойчивости, пространственно-временной организации, а также количественное и качественное проявление традиционных и ранее неизвестных свойств в зависимости от условий синтеза и функционирования.

В качестве объекта исследований в рамках данной статьи была выбрана совокупность ранее представленных понятий (наноматериалы, нанотехно-

Таблица 1

Характеристика "Индустрии наносистем"

логия, нанодиагностика, наносистемотехника) и предпринята попытка выделения комплекса их функциональных особенностей, отражающих облик "индустрии наносистем" (табл. 1).

Наиболее характерными проявлениями "наномира" даже по сравнению с традиционными объектами с микроскопическими характеристическими размерами следует признать:

• появление нетрадиционных видов симметрии и особых видов сопряжения границ раздела, конформаций с динамически перестраиваемой структурой;
• доминирование над процессами искусственного упорядочения явлений самоупорядочения и самоорганизации, отражающих проявление эффектов матричного копирования и особенностей синтеза в условиях, далеких от равновесных;
• высокая "полевая" (электрическая, магнитная) активность и "каталитическая" (химическая) избирательность поверхности ансамблей на основе наночастиц, включая интегрированные композиции неорганической и органической природы;

• особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического процесса.

Следует предположить, что причиной появления вышеуказанных особенностей в условиях "наномира" является:

• изменение отношения площади поверхности к объему при переходе к наноразмерным системам;
• энергетическая, полевая и "вещественная" неравновесность поверхности, охватывающая значительные объемы наночастиц;
• усиление роли различных видов размерных эффектов вследствие значительной площади границ раздела в условиях нанокомпозиций;
• проявление в условиях больших коллективов энергетически активных наночастиц нетрадиционных механизмов упорядочения, переноса энергии и заряда;

•малые характеристические размеры частиц и особый характер их упорядочения, обеспечивающие энергетическую и пространственную доступность транспорта заряда, энергии и конформационных изменений.

Все ранее сказанное позволило предложить ряд постулатов, определяющих характерные признаки и направления развития наноматериалов, нанотехнологий и наносистем (табл. 2).

Таким образом, фундаментальным базисом индустрии наносистем являются новые ранее неизвестные свойства материалов и композиций, возникающие при переходе к объектам, представляющим собой интеграцию искусственно или естественно упорядоченных наносистем. Это обусловлено особым проявлением в нанокомпозициях и ансамблях субмолекулярных комплексов кооперативно-синергетических явлений и процессов, квантово-размерных и "гигантских" эффектов.

В настоящее время, по нашему мнению, в качестве фундаментальных проблем наноиндустрии можно выделить следующие направления исследований:

• малые ансамбли молекул, межмолекулярные взаимодействия и молекулярная динамика;
• размерные и функциональные свойства наночстиц, конформации, межфазные границы;
• наномасштабирование и квантово-размерные эффекты;
• неравновесные процессы и синергетические явления в наноструктурированных материалах;
• теории матричного синтеза, сборки, самосборки и молекулярного узнавания для веществ органической и неорганической природы.

В качестве одного из возможных подходов к формированию концепции развития индустрии наносистем в России, с учетом приоритетных направлений развития науки, технологий и техники, может быть предложена матричная модель, отражающая ключевые направления развития индустрии наносистем (наноматериалы, нанотехнологии,

Таблица 2

Основные постулаты Индустрии наносистем

нанодиагностика, наносистемотехника) через детализацию и установление взаимовлияния уникальных специфических свойств и особенностей, проявляющихся при переходе к наномасштабам (см. рисунок).

Данная матричная форма может быть использована для прогнозирования критических направлений развития индустрии наносистем с целью повышения результативности исследований и разработок, а также интеграции и координации работ в научной и производственной сферах.

Научно-производственный базис индустрии наносистем

Индустрия наносистем — интегрированный комплекс, включающий: оборудование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно-экономическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем при переходе к наномасштабам.

В табл. 3 представлен перечень наиболее актуальных, по нашему мнению, научно-технических проектов, определяющих среднесрочные перспективы индустрии наносистем в рамках ранее рассмотренных направлений ее развития (см. табл. 1).

Реализация представленного в табл. 3 перечня базовых научно-технических проектов по-видимому не решит проблемы широкого промышленного развития индустрии наносистем, но обеспечит для России:

• сохранение и развитие отечественного научного и промышленного потенциалов высоких технологий;
• сохранение и развитие кадрового потенциала, интеграцию и эффективное использование высококвалифицированных специалистов;
• интенсификацию междисциплинарных исследований и разработок, обеспечивающих научнотехнические прорывы по ключевым направлениям научно-технического прогресса;

• сохранение паритета российской научно-образовательной культуры в области высоких технологий с ведущими зарубежными странами.

Образовательный базис индустрии наносистем

При организации и реализации работ в области индустрии наносистем, наряду с постановкой чисто экономической задачи — повышения эффективности производства на основе опережающего развития высокотехнологичных отраслей, необходимо решать и социальную задачу. Это связано с особой ролью интеллектуального фактора в долгосрочной перспективе развития России как независимого государства.

Интеграция приоритетных направлений развития науки, технологий и техники с направлением "Индустрия наносистем и материалы"

Перечень научно-технических проектов в области индустрии наносистем

Таблица 3

Основные постулаты Индустрии наносистем

Представляется, что в программе работ должен быть специальный, хорошо продуманный, методически и реально экономически поддержанный блок, направленный на сохранение и развитие "человеческого капитала", как одного из важнейших факторов обеспечения экономики страны квалифицированными специалистами. Только наличие кадров, способных поддерживать научно-производственный потенциал государства в высокотехнологичных отраслях, обеспечит безопасность государства и конкурентоспособность отечественной продукции военного и гражданского назначений. В рамках развития образовательного базиса России 04.06.03 был издан приказ № 2398 «Об эксперименте по созданию новых направлений подготовки дипломированных специалистов "Нано-технология" и специальностей "Нанотехнология в электронике" и "Наноматериалы"». Однако существуют определенные факторы, снижающие эффективность принятых решений с учетом динамики и особенностей развития направления индустрия наносистем:

• значительная протяженность временного интервала, требуемого для подготовки дипломированного специалиста;
• относительная "жесткость" принятых учебных программ, ограничивающих предметные области знаний в условиях широты индустрии наносистем как направления;
• неустойчивость в определении основных промышленно значимых направлений развития индустрии наносистем.

На этапе становления индустрии наносистем, как научно-технического направления, более рациональным подходом в отношении оперативности достижения конечного результата (в условиях многообразия возможных путей развития), является реализация образовательного процесса по двухуровневой системе "бакалавр—магистр".

В апреле 2004 г. Минобразования России (Приказ № 1922 от 23.04.2004) на основании документов, подготовленных УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации, действующего на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, было принято решение о создании нового направления подготовки бакалавров и магистров — 554500 "Нанотехнология".

Целесообразность введения двухуровневой системы подготовки кадров по быстро прогрессирующему направлению обусловлена:

• необходимостью гармонизации структуры отечественного образовательного процесса по базовым направлениям научно-технического прогресса с концепцией, принятой большинством промышленно развитых стран в рамках Болонской декларации;
• объективной ситуацией в развитии данного высокотехнологичного направления, характеризующейся стадией накопления знаний, т.е., в первую очередь, становлением "нанонауки";
• отсутствием не только в России, но и за рубежом, окончательной концепции развития "индустрии наносистем" как промышленного производства, ориентированного на вполне определенную номенклатуру наноматериалов и компонентов наносистемной техники.

Двухуровневая система подготовки по направлению "Нанотехнология", с учетом принятых на государственном уровне директивных решений, получила значительную поддержку в высших учебных заведениях России (к эксперименту подключилось более 20 вузов). В настоящее время подготовлены временные требования к минимуму содержания и уровню подготовки бакалавров и магистров по данному направлению, а также примерные учебные планы.

Существующие финансово-экономическое и кадровое обеспечения заставляют искать пути гармонизации образовательного процесса по направлению "Нанотехнология" в условиях подготовки специалистов (инженеров) и бакалавров. В то же время двухуровневая система подготовки позволяет осуществлять более целенаправленную ориентацию образовательного процесса в рамках специальных дисциплин с учетом проблемного поля направления подготовки, отраженного в магистерских программах.

Анализ возможных образовательных программ по направлению "Нанотехнология" при подготовке магистров, ориентированных на технические науки, позволил выделить следующие программы:

• физика наносистем;
• химия наносистем;
• материаловедение наносистем;
• процессы нанотехнологии;
• методы нанодиагностики;
• наноэлектроника;
• нанооптика;
• наномеханика;
• микро- и наноэнергетика;
• биомедицинские нанотехнологии.

Аннотации магистерских программ, представленные в работе [3], фактически характеризуют не только предметную область обучения, но и направления реальной научно-практической деятельности в указанных областях.

Важнейшими элементами обеспечения научно-образовательного процесса по данным программам является наличие имеющихся или развивающихся научно-педагогических школ и современной научно-технологической базы, которая должна концентрироваться в центрах коллективного пользования.

Заключение

Индустрия наносистем — интегрированный комплекс, включающий оборудование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно-экономическую культуру и кадровый потенциал, которые обеспечивают производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем при переходе к наномасштабам.

Индустрия наносистем инициирует научно-технический прорыв в совокупности высокотехнологичных отраслей производства, науки, образования, военного дела и сферы обслуживания населения за счет широкого использования изделий с ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Индустрия наносистем может быть отнесена к высокотехнологичным производствам с высокой добавленной стоимостью, которые опираются в значительной степени на инвестиции в "человеческий капитал".

Список литературы

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002.
2. Алферов Ж. И., Асеев А. Л., Гапонов С. В., Коптев П. С, Панов В. И., Полторацкий Э. А., Сибельдин Н. Н., Сурис Р. А. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2003. № 8. С.3—13.
3. Лучинин В. В. Наноиндустрия — базис новой экономики // Петербургский журнал электроники. 2003. № 3. С. 3-12.
4. Лучинин В. В., Таиров Ю. М. Научно-образовательный базис наноиндустрии в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2003. № 2. С. 15-20.
5. Алфимов С. М., Быков В. А., Гребенников Е. П., Желудева С. И., Мальцев П. П., Петрунин В. Ф., Чаплыгин Ю. А. Развитие в России работ в области нанотехнологии // Мик­росистемная техника. 2004. № 8. С. 2—8.
6. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнология. М.: Техносфера, 2004. С. 15.
7. Шевченко В. Я. О терминологии: наночастицы, наносистемы, нанокомпозиты, нанотехнологии // Микросистемная техника. 2004. № 9. С. 2—4.