Нанотехнологии выходят "в люди"

Появились первые массовые продукты, которые обещают дать начало нанотехнологической революции. Вопреки заблуждениям обывателей, в производстве они будут дешевле традиционных, выполненных по "макротехнологиям".

Вот уже более десятилетия ученые предрекают настоящую техническую революцию, которая произойдет в связи с широким внедрением наноматериалов. Нам обещали сверхпрочные конструкционные материалы, чудодейственные лекарства, энергоэффективные компьютеры и т.д. Однако до сих пор создание массовых коммерческих продуктов из наноматериалов является чрезвычайно сложной задачей.

Проблема в том, что даже крошечные структурные изменения в наноматериалах приводят к существенному изменению свойств, что не позволяет выпускать массовый продукт с одинаковыми свойствами и качеством. Например, при изготовлении конструкционного материала большая разница в прочности материала недопустима, а в интегральных схемах один "неправильный" нанопровод может изменить рабочее напряжение цепи и нарушить работу микрочипа. В общем, требуются высокоточные инструменты, которые могут контролировать наноразмерные процессы и обеспечить дешевое и быстрое производство наноматериалов с требуемыми характеристиками.

Нанолитографический метод погружного пера позволяет "печатать" большое количество сложных наноразмерных устройств*
* Серый конус – кантилевер атомного силового микроскопа, синим цветом обозначен растворитель, обычно вода. По кантелеверу молекулы устремляются на подложку и выстраиваются в требуемую конструкцию (зеленые пластинки справа)

Полупроводниковая промышленность достигла огромного успеха в нанесении тонкой пленки на поверхность кремниевых пластин. Но производители чипов все время уменьшают размер транзисторов, чтобы "упаковать" как можно большее их количество в каждый микрочип. В ближайшие месяцы на рынок транзисторов выйдут транзисторы размером всего 22 нанометров. При столь малых размерах дефекты на молекулярном и даже атомном уровне могут вызвать серьезные сбои в работе оборудования. Надо учесть, что чипы изготавливаются наложением атомных слоев, и даже несколько дефектных атомов могут значительно ухудшить быстродействие и энергоэффективность микросхемы.

Получается, что ученые разработали множество наноструктурированных покрытий, которые, например, могут сделать солнечные батареи гораздо более эффективными, но чтобы получить эти покрытия в коммерческих масштабах, производители должны делать их из недорогих материалов, в больших количествах и с высокой точностью. Для этого необходимо разработать производственные процессы и инструменты, которые могут работать с высоким уровнем точности и разнообразными материалами большой площади.

Первые подобные инструменты уже созданы. Так, профессором химии Чадом Миркиным из Северо-западного университета создан нанолитографический метод погружного пера (DPN), который использует массив наноразмерных инструментов для изготовления большого количества наноразмерных структур, одновременно "раскрашивая" подложку молекулярными чернилами – молекулами требуемых веществ. DPN использует атомный силовой микроскоп, который своей "иглой" (кантилевером) наносит требуемый "рисунок" на различные подложки. Молекулы "чернил" доставляются на подложку с помощью растворителя (в большинстве случаев это вода). Растворитель служит мостом, по которому молекулы мигрируют с кончика кантилевера к поверхности подложки, формируя требуемую наноструктуру. С помощью технологии DPN можно работать с точностью 100 – 15 нанометров и менее. Острая игла атомного силового микроскопа может "нарисовать" крохотные микрочипы, имеющие функциональность более громоздких традиционных микросхем.

Компания NanoInk использует эту технологию для быстрого создания прототипов устройств, которые ранее изготавливались с помощью дорогостоящих процессов. Одно из применений нанолитографического метода погружного пера - быстрое изготовления фоторезистивной маски для фотолитографии, с помощью которой делают сложные электронные схемы. В данном случае преимущества методики DPN очевидны: маска NanoInk стоит около 200 долл., в то время как обычная литографическая маска может стоить сотни тысяч.

Компания GE Global Research также подготовила несколько наноматериалов к коммерциализации. В частности супергидрофобное покрытие, которое отлично отталкивает воду и повышает эффективность паровых турбинных лопаток. Во время поисков способов изготовления такого покрытия исследователи GE обнаружили, что существует возможность использовать высокотемпературный процесс распыления, который применяется для изготовления других, не нанотехнологичных покрытий. А вот для изготовления прозрачной керамической нанотехнологичной брони GE пришлось адаптировать каждый шаг спекания микромасштабных частиц керамики, для включения в процесс наноразмерного порошка.

Таким образом, внедрение нанотехнологий происходит, хотя и идет весьма медленно, в основном из-за того, что применение наноматериалов требует новых технологических процессов или серьезной переделки существующих.