R&D.CNews: нанотехнологии-2006

Уходящий год ознаменовался несколькими достаточно серьезными прорывами в области наномашин и наномеханики, а также использования органических машин-энзимов для выполнения ими различных механических действий.

Нанотрубки и другие наноструктуры все чаще применяются в прототипах электроники будущего. Неудивительно, что производители электроники впервые в этом году проявили серьезные намерения в отношении использования нанотрубок в чипах памяти, транзисторах и прочих МЭМС и НЭМС. Это связано еще и с тем, что нанотрубки научились качественно очищать и производить в достаточных количествах по весьма умеренной стоимости, что позволяет использовать их в устройствах широкого потребления.

Нано-медицина также оформилась как наука и представила на суд общественности в этом году ряд быстродействующих экспресс-анализаторов, новые материалы для конструирования протезов и рабочие нейрочипы.

Молекулярный автомобиль обзавелся мотором

Особенно важным в области наномеханики можно считать создание нано-багги Джеймсом Туром из университета Райса. Эта молекулярная машина ездит по атомам золотой подложки с помощью световой энергии. Правда, у молекулярного автомобиля пока что нет заднего хода и рулевого управления и колеса из фуллеренов, но зато он состоит всего из 300 атомов золота и имеет собственный автономный мотор.

«Лопастной нанодвигатель», правда, нереверсивен - он может вращаться только в одну сторону, поэтому машинка будет ехать только вперед. Наномашины настолько малы (как упоминалось выше, их размер составляет 3-4 нанометра), что 20 тыс. устройств можно поместить на торце человеческого волоса.

Руководил исследовательской группой профессор из Райса Джеймс Тур, которого признали «Исследователем Года» по версии авторитетного издания Small Times magazine. Научный мир высоко оценивает работы Джеймса, так как до сих пор никому не удавалось создать движущуюся наносистему такой сложности.

Двигатель внутреннего сгорания из двух молекул

Японскими же учеными удалось синтезировать новый тип наномотора, который приводится в движение светом. В работе двух молекул используется принцип работы кривошипно-шатунного механизма совместно с поршнем, только на атомарном уровне. Основа двигателя - молекула ферроцена (Fe(C₅H₅) ₂, два кластера порфирина цинка и цепочки азобензена. Эти цепочки связывают ферроцены с порфириновыми кластерами, и в итоге молекула по внешнему виду больше напоминает механизм с педалями, чем «чистый» кривошип.

Решение проблемы передачи и превращения разных видов энергии одна в другую в наноразмерном диапазоне - один из открытых вопросов наномеханики, поэтому достижения японских ученых могут пригодиться при разработке наноробототехники.

ДНК-машины открывают путь нанороботам

Периодические структуры на основе молекул ДНК появились еще десять лет назад. Теперь же ученые перешли к конструированию наномеханических ДНК-машин. Недавно ученые-нанотехнологи под руководством известного ДНК-конструктора Нэда Симэна создали «руку робота» на основе молекулы ДНК и прикрепили ее к двумерной кристаллической ДНК-матрице. По мнению исследователей, это открытие – первый серьезный шаг к развитию наноробототехники.

Универсальность молекулы ДНК позволяет тиражировать это устройство с помощью генной инженерии, и тогда ученые смогут создавать сложные наномашины с множеством манипуляторов, способные выполнять сложные запрограммированные движения.

Первая рабочая микросхема на нанотрубке

Американским ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевых частотах.

Эта интегральная схема состоит из пяти инверторов, сделанных на основе полевых p- и n-транзисторов. Сам чип представляет собой 5-ступенчатый кольцевой осциллятор на одной длинной нанотрубке длиной 18 мкм. В чипе также присутствует дополнительный логический контур, измеряющий быстродействие осциллятора. Затвор p-транзисторов сделан из палладия, а транзисторов n-типа — из алюминия. Наноустройство работает на частоте 52 MHz, что в 100 тыс. раз быстрее предыдущих нанотрубочных чипов.

Графен - основной конкурент нанотрубок

У углеродных нанотрубок появился серьезный конкурент в области наноэлектроники. Это развернутая в двухмерный лист углеродная нанотрубка или наноматериал графен, на основе которого уже созданы графеновые полевые транзисторы. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой наноэлектронных устройств.

Флэш-пямять на основе нанотрубок

Нанотрубочная электроника становится „теплой“, и это позволит ей скорее выйти на потребительский рынок. Группе исследователей удалось создать флэш-память на основе нанотрубок. Устройство пока еще не является полноценным коммерческим продуктом, но ученые надеются, что их исследования приведут к разработке новых типов архитектуры молекулярной памяти и позволят наладить массовый выпуск таких электронных устройств.

Композит, содержащий углеродные нанотрубки, состоит из гафния, алюминия и кислорода (т.н. HfAlO-композит). Он используется как в качестве «управляющего ключа», так и в качестве оксидной пленки, разделяющей части ячейки. Новая флэш-ячейка - это своеобразный «бутерброд», состоящий из нанотрубок, композита и кремниевой подложки. Его толщина -всего несколько нанометров. Естественно, память, изготовленная на основе «нанобутерброда» будет гораздо более миниатюрной, чем современные аналоги.

Создан самый быстрый полевой нанотранзистор

Это уникальное устройство, созданное учеными из Гарварда, состоит из германиево/кремниевого ядра и кремниевых нанострун. По мнению экспертов, это самый совершенный полевой транзистор, который когда-либо был создан. Ge/Si нанострунный FET (полевой транзистор) быстрее в 3–4 раза, чем любые современные кремниевые CMOS.

Структура «ядро-нити» в Ge/Si-наноструктуре с надежными омическими контактами и высокой мобильностью носителей зарядов обеспечивает столь высокое быстродействие.

Транзистор из одной молекулы

Работа наименьшего в мире нанотранзистора основана на эффекте квантовой интерференции, и поэтому он был назван QuIET (Quantum Interference Effect Transistor). Наименьший размер транзисторов, изготавливаемых современной микроэлектронной промышленностью, составляет 45 нанометров. Новый нанотранзистор QuIET имеет длину всего один нанометр. Нанотранзистор меньшего размера до сих пор изготовить не удавалось.

По словам ученых, переход на сверхмалые транзисторы будет проходить постепенно - после окончания естественной эволюции обычных кремниевых микрочипов.

Дисплеи-невидимки появятся уже в 2008 году

Исследования по созданию «невидимой» электроники ведутся давно, но до сих пор ученым не удавалось создать материал для транзисторов, который был бы «невидимым» и в то же время обеспечивал высокую скорость работы.

Теперь же учеными созданы прозрачные транзисторы, которые могут совмещаться с такими технологиями, как органические светодиоды, жидкокристаллические панели и электролюминесцентные дисплеи, которые широко используются для изготовления телевизоров, мониторов, ноутбуков и сотовых телефонов.

По словам исследователей, опытные образцы мониторов на прозрачных транзисторах появятся в течение ближайших 12-18 месяцев.

"Святой Грааль" от электроники

В 2006 появился новый класс полупроводниковых устройств, в которые можно интегрировать нано-магниты методом точного размещения атомов металла на материал, из которого формируется подложка чипа.

Таким образом ученые надеются получить контроль на атомном уровне за архитектурой чипа и произвести объединение нескольких ключевых компонентов компьютеров (процессор, память, жесткий диск) в одно устройство. Объединение этих устройств компьютеров в одно позволит уменьшить энергопотребление и увеличит скорость обработки информации.

В перспективе данная технология может привести к появлению на рынке мультимедийных устройств с одним чипом, в котором будет "вся" вычислительная электроника и память. Это и "одноразовые" электронные книги, и различные мобильные мультимедийные игры, и просто "умная пыль". О массовом производстве подобных чипов пока речи нет - ученые разместили несколько атомов с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), "вынув" предварительно атомы материала подложки.

"Жидкая броня" защитит лучше кевлара?

На вооружении США вскоре может появиться обмундирование нового типа, которое по своим защитным свойствам и эргономическим характеристикам превосходит современные кевларовые аналоги.

Эффект сверхзащиты достигается благодаря специальному пакету из кевлара, наполненному раствором сверхтвердых наночастиц в неиспаряющейся жидкости. Как только происходит механическое давление высокой энергии на кевларовую оболочку, наночастицы собираются в кластеры, изменяя при этом структуру раствора жидкости, который превращается в твердый композит. Этот фазовый переход происходит менее чем за миллисекунду, что и позволяет защитить солдат не только от ножевого удара, но и от пули или осколка.

И недавно американский холдинг-производитель солдатского обмундирования и бронежилетов U. S. Armor Holdings лицензировал технологию «жидкого бронежилета» и планирует начать его массовое производство в конце этого года.

Нейроинтерфейс: созданы искусственные синапсы

Учеными из Гарварда был разработан нейроинтерфейс на основе кремниевых проводников, с помощью которого можно получать информацию о сигналах, передающихся вдоль аксонов и дендритов отдельных нейронов млекопитающих.

В основе нейроинтерфейса - кремниевые нанопроводники, соединенные с нанотранзистором, который позволяет передавать сигналы от нейрона к компьютеру. Наноструны-электроды диаметром около десяти нанометров, а также транзисторы на их основе в тысячу раз меньше современных микроэлектродов, поэтому они обеспечивают «нежное» прикосновение к отдельным аксонам и дендритам. Кроме того, наноструны могут определять электрический сигнал в 50 точках на протяжении одного аксона, что до сих пор было невозможно.

Это первый искусственный синапс, так как это устройство может не только передавать сигналы, но и стимулировать их распространение. Кроме того, искусственные синапсы могут не только стимулировать, но и подавлять распространение сигналов вдоль аксона.

Лаборатория-на-чипе: экспресс-анализатор крови

Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали портативный анализатор крови, который будет выполнять точный анализ всего за 2 минуты.

Они миниатюризировали счетную машину-анализатор, которая используется в обычных лабораториях, и получили устройство, не превышающее размерами мобильный телефон. В результате получилась настоящая портативная лаборатория, способная проводить анализ по капле крови.

Нанотрубки в регенерации тканей мозга и сердечной мышцы

Одним из наиболее интересных достижений ученых в области наномедицины оказалась технология восстановления поврежденной нервной такни с помощью углеродных нанотрубок.

Как показали эксперименты, после имплантирования в поврежденные участки мозга специальных матриц из нанотрубок в растворе стволовых клеток уже через восемь недель ученые обнаружили восстановление нервной ткани.

Однако при использовании нанотрубок либо стволовых клеток отдельно аналогичного результата не было. По мнению ученых, это открытие позволит помочь людям, страдающим болезнью Альцгеймера и Паркинсона.

Наноструктуры также могут помочь в восстановительной терапии после острых сердечных заболеваний. Так, наночастицы, введенные в кровеносные сосуды мышей, помогли восстановить сердечно-сосудистую деятельность после инфаркта миокарда. Принцип метода состоит в том, что самособирающиеся полимерные наночастицы помогают «запустить» естественные механизмы восстановления сосудов.

Нано-Гуттенберг: первый "печатный станок" для наноструктур

Фундамент для будущего массового применения наносистем заложили исследователи из Северо-Западного университета США, которые разработали установку, позволяющую производить в наноразмерном диапазоне одновременно до 55 тыс. наноструктур с атомарной точностью и одинаковым молекулярным шаблоном на поверхности.

Установка использует широко известную технологию нанолитографии глубокого пера (Dip-Pen Nanolithography - DPN), которая и позволяет делать «массовые» оттиски, как если бы наносистемы печатались на типографском станке.

Но для типографских технологий одного пера будет недостаточно, поэтому ученые скомбинировали около тысячи независимо управляемых перьев. Благодаря такому подходу, нанолитография глубокого пера стала универсальным инструментом для производства полупроводниковых компонентов со сложной структурой.

Свидиненко Юрий / R&D.CNews