А. Алексенко

Наноиндустрия как научно-техническая основа микросистем

Наноиндустрия и микросистемы являются ключевыми сферами высокотехнологичного развития и могут изменить облик мира уже в течение ближайшего десятилетия. Привед╦нный пример одной из разновидностей изделий этого класса - акустических микросистем иллюстрирует универсальные возможности средств, использующих растущий арсенал нанотехники. Назрела необходимость оформить представления о наноиндустрии и микросистемах в виде Национальной целевой Нанопрограммы.

Третья научно-техническая революция

Вторая половина XX века была ознаменована второй научно-технической революцией (НТР), открывшей постиндустриальный этап развития цивилизации. Темпы вхождения в этот этап хорошо иллюстрирует закон Мура (Moore), появившийся в связи с развитием микроэлектроники. Теоретически никем не доказанный, этот закон (ежегодное удвоение реализуемой степени интеграции компонентов внутри чипов ИС) хорошо оправдал себя и в отношении роста достижимой производительности ЭВМ и в ряде других областей, основанных на так называемых "критических" технологиях. В конце 90-х годов XX века "критическими" стали молекулярная биология, микромеханика и микросистемная техника. В наше время закону Мура для "критических" технологий стала удовлетворять такая "прорывная" сфера приложения усилий передовых стран, как наноиндустрия. Перечисленные выше области деятельности характеризуются ежегодным удвоением объ╦ма капиталовложений в развитых странах и, в ряде случаев, наличием приоритетных целевых национальных программ. Поэтому есть основания считать закон Мура экономическим правилом, описывающим динамику развития революционных науко╦мких сфер человеческой деятельности.

Наноиндустрия как универсальная и науко╦мкая область - это путь к третьей, невиданной по своему размаху научно-технической революции, которая изменит облик мира уже к концу первого десятилетия XХl века.

Первая НТР - индустриальная или знергетическая - меняла облик мира в период с конца XlX по первую половину XX века. "Расхитительный" характер использования природных ресурсов Земли, "информационный" кризис и уникальные возможности резкого повышения эффективности, открывшиеся благодаря появлению транзисторов, ИС и компьютеров - все эти и подобные им факторы предвосхитили вторую, "информационную" или постиндустриальную НТР.

Наноиндустрия и нанотехника как "большая" система

Наноиндустрия базируется на технологическом, машиностроительном, производственном и научном обеспечении процессов, связанных с манипуляциями атомами и молекулами [1]. Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в высшей степени науко╦мкими и стимулирует развитие таких направлений, как атомно-молекулярный дизайн, вычислительные разделы химии, физики, биологии, электроники и многоуровневое математическое моделирование.

Разнообразие и универсальность нанотехнологических средств (для русского языка более органичен термин нанотехника) да╦т основание рассматривать их совокупность как "сложную" (или "большую") систему - в "классическом" истолковании этого понятия. Такая система имеет общую "глобальную" цель и включает в себя новые инструменты производства и науки, новые продукты интеллектуальной деятельности и новое понимание социальной роли человека.

Базовая системная концепция

Упомянутая выше "глобальная" цель впервые прозвучала в книге Эрика Дрекслера "Машины созидания", вышедшей в 1985 году. Под таким термином Дрекслер вв╦л в рассмотрение молекулярные самовоспроизводящиеся роботы, способные производить сборку (ассемблирование) молекул, их декомпозицию, запись в память нанокомпьютера программ воспроизведения (репликации) и, наконец, реализацию этих программ (то есть самовоспроизведение, размножение).

Этот, первоначально рассчитанный на многие десятилетия прогноз пути развития нанотехники, ко всеобщему удивлению, оправдывается шаг за шагом с существенным опережением по времени. Проводимые с 1989 года по инициативе Дрекслера ежегодные Форсайтовские конференции год за го-дом фиксировали это опережение.

На одной из первых таких конференций было принято обращение к уч╦ным и правительствам - не проводить наноразработки в военных целях. К сожалению, погоня за ассигнованиями стимулировала нанопрограммы военного или двойного назначения в США и в ряде других стран.

Термин "Нанотехника" является наиболее точным русским эквивален-том английского словосочетания Nano-technology. Первая часть этого словосочетания - "нано" обозначает 10-9 (имеется в виду одна миллиардная часть метра). Варианты второй части термина: техника, технология, технологии, - несмотря на известные различия в русскоязычном их понимании для нанообласти, практически пока являются синонимами.

Обозначения наноразмеров - не самое главное в нанотехнике. Принципиальным является квантовый характер нанообъектов и нанопроцессов и уникальная возможность целенаправленной сборки веществ на атомно-молекулярном уровне.

Современный образ "большой" системы

Современный образ "большой" системы - это е╦ целевая многофункциональность, науко╦мкость, гетерогенность привлекаемых средств и производств, способность к саморазвитию, модифицируемость, выживаемость в течение длительного срока (годы, десятки лет), перепрограммируемость, адаптивность к техническому и социальному прогрессу, делимость, способность к реконфигурации и живучесть в нештатных режимах и в условиях деградации подсистем.

Микросистемы

Сложившиеся в середине 90-х годов представления о микросистемах сводились к приложениям технологии ИС для создания интегрализуемых устройств микромеханики. В дальнейшем стала очевидной возможность применения изделий микросистемной техники (микросистем) не только для электронной аппаратуры, но и для биочипов. Нет препятствий и для перенесения в микросистемную технику результатов, получаемых с помощью нанотехнологических средств. Такого рода трансфер открывает возможность производства огромного разнообразия видов и форм продукции, в том числе, изделий "двойного" (то есть народнохозяйственного и специального) назначения.

Несомненно, микросистемная техника, развиваемая в дальнейшем на основе наноиндустрии, в полной мере приобрет╦т все перечисленные выше качества "больших" (но малогабаритных!) систем с резко уменьшенным количеством разнородных деталей и технологических операций.

Уменьшение числа деталей и технологических операций в микросистемной технике - это проекция основной тенденции микроэлектроники - интеграции компонентов в аппаратуре и "вертикальной" интеграции процессов е╦ создания (с помощью развитых средств информатики).

Особенность микросистемной техники заключается в структурном и технологическом объединении электронной составляющей микросистемы с е╦ микромеханическими, оптическими, акустическими и другими составляющими.

Иными словами, микросистемы "интегрируют" гетерогенность, присущую любой "большой" системе. Поэтому микросистемная техника естественным образом примыкает к нанотехнике как к перспективной технологической, структурной и научной основе.

Национальные программы

В 2000 году Конгресс США принял 10-летнюю программу, названную Национальной нанотехнологической инициативой [1] и возвед╦нную в этой стране в ранг наивысшего национального приоритета. Действующая с 1999 года японская Национальная программа предусматривает создание электронных компонентов для предельных условий эксплуатации, например, в открытом Космосе, при ядерных взрывах, при температурах до 3000ºС. Национальные программы по нанотехнике существуют не только в США и Япо-нии. Они действуют в Корее и ряде стран Европы (Германии, Великобрита-нии, Франции, Италии, Финляндии и других).

Прогнозы

По над╦жным, множественным прогнозам специалистов [1], уже в 2010 году в практику войд╦т молекулярная нанохирургия, наноремонт биологических клеток, появятся лекарства от старения. Возникнет наноразмерная элементная база электроники для работы в условиях Космоса, появятся средства для создания нанокомпьютеров. К этому же времени биологи считают вероятным появление таких математических моделей сложных белковых образований, которые позволят сознательным образом синтезировать гены для различных целей, в том числе, для воспроизводящих себя молекулярных биороботов.

Опасность эмпирического синтеза и перекр╦стного использования генов без применения математического моделирования уже осознана. В Великобритании и США многие сети крупнейших супермаркетов с 2000 года реализуют только "нетрансгенную" продовольственную продукцию, защищ╦нную специальными маркировками. В наших средствах массовой информации появились публикации о потенциальной угрозе неконтролируемого использования "трансгенных" продуктов питания. Такая угроза может быть локализована не только запретительными мерами (которых у нас для трансгенов пока нет), но и, главным образом, пут╦м создания систем генетического контроля - это тоже насущная задача прикладной нанобиологии, обеспечивающей развитие соответствующей отрасли наноиндустрии.

Препятствия для математического моделирования сложных белков лежат, как это ни странно, не в биологии, а в информатике. Это недостаточная вычислительная мощность существующих сейчас суперЭВМ. Алгоритмы такого моделирования биологам известны.

Отечественные работы по суперкомпьютерному моделированию белковых структур подтверждают реальность разгадок многих тайн живой природы уже в ближайшем десятилетии.

В перспективе, в ближайшие 15√20 лет предполагается расцвет техники нанокомпьютеров. На их основе, а также на базе нанобиотехнологий появятся молекулярные самовоспроизводящиеся роботы - репликаторы, способные производить сборку и разборку (декомпозицию) молекул, запись программ репликации, а также осуществлять воспроизводство и размножение наноассемблеров. Такие процессы не потребуют какого-либо расхищения природных ресурсов. Они будут экологически чистыми и практически безотходными.

Частный пример: акустические микросистемы

Принципиальная возможность создания микросистем этого класса базируется на своеобразном "инверсном" преобразовании туннельного микроскопа. При таком преобразовании отпадает необходимость в сканировании зонда, а подложка выполняется в виде упругой проводящей микромембраны. Реализация этих микросистем возможна на базе единого цикла создания микромеханического наносенсора, интегрированного с электронными подсистемами измерения туннельного тока и автоматического поддержания заданной величины туннельного зазора.

Составной частью упомянутой выше подсистемы являются блоки пикоамперметра и аналого-цифрового преобразователя. С их помощью колебания туннельного тока преобразуются в стандартный цифровой сигнал.

Пороговые уровни электронной подсистемы позволяют опознать акустический сигнал на фоне собственных шумов сенсора и предохранить микросистему от возможных акустических перегрузок.

Разновидности микросистем этого класса могут перекрыть диапазон частот от долей Герц до 200 кГц и допускают дальнейшее наращивание или интеграцию с любыми (в том числе портативными) персональными компьютерами, работающими на платформе Windows, системами сбора информации, с мобильными Интернетсистемами связи и так далее. Есть основания полагать, что такие микросистемы обеспечат развитие нанотехнологического машиностроения, так как с их помощью возможно индивидуальное регулирование туннельных зазоров многозондового технологического оборудования. Отметим другие возможные применения подобного рода микросистем, вытекающие из их уникальной акустической чувствительности:

• прогнозирование землетрясений, мониторинг чрезвычайных ситуаций, контроль экологических показателей среды;
• предупреждение акустической эмиссии в механических конструкциях;
• создание высокочувствительных микрофонов с целью спасения людей из-под завалов зданий, а также для специальных целей;
• гидроакустика;
• паспортизация прочностных характеристик реакторов, летательных аппаратов и строительных конструкций;
• создание туннельных гравиметров с точностью 10^-9g;
• разработка устройств активного вибродемпфирования для стабилизации стрелкового оружия, размещаемого на возимых, летательных и т.п. аппаратах;
• мониторинг конструкций (трубопроводов, оболочек реакторов, зданий), условий хранения боезарядов, геомагнитных явлений (землетрясений, извержений вулканов, ядерных испытаний), комплексный индивидуальный медицинский контроль и локация внутренних органов человека.

Двойное применение микросистем

Привед╦нный выше пример иллюстрирует возможности двойного применения микросистем лишь одного класса. В лабораториях промышленно развитых стран (США, Японии, Германии и других) проводятся крупномасштабные разработки многих других типов наномикросистем.

Возможности военных применений таких микросистем нельзя не учитывать, так как они имеют прямое отношение к проблемам национальной безопасности не только каждой страны, но и всего человечества.

Выводы

Наномир бросает вызов большинству привычных представлений о характере физико-химических превращений вещества, об их свойствах и возможностях использования.

Появление микросистем на базе наносредств позволит совершить новую научно-техническую революцию, создать качественно более высокий индустриальный и социальный базис. В то же время, военное использование нанотехники может создать ряд угроз и, несомненно, должно быть взято под международный контроль.

Внедрение нанотехнологий может решить экологические проблемы и в целом окажет решающее влияние на научно-техническое, экономическое и социальное развитие стран, а также на межгосударственные отношения.

Идеология новой научно-технической революции будет принципиально отличаться от привычной индустриальной (технократической) модели, допускавшей экономический рост пут╦м любого (в том числе расхитительного) использования природных и людских ресурсов. Осознание ограниченности этих ресурсов делает целесообразной новую (хотя и не вполне осознаваемую сейчас) системную политику, опирающуюся на информационные, экологически безупречные "высокие" технологии. При этом цели прогресса оказываются связанными с интеллектом человека, с его интересами и возросшими потребностями в образовании, свободе и самовыражении. Эту политику можно определить как требуемый новый (гуманизированный), стратегически стабильный системный подход к управлению развитием общества.

Ощущается необходимость в давно назревшей разработке и утверждении Национальной целевой программы "Наноиндустрия и микросистемы" (подобного рода нанопрограммы уже действуют в промышленно развитых странах).

Литература

• National Nanotechnology Initiative. The Initiative and its Implementation Plan. National Science and Technology Council, Commitee on Technology, Sub-comitee on Nanoscale Science, Engineering and Technology. Washington. D.C. July 2000. 141 p.