Дорога в будущее лежит через квантовые ямы
Добавлено: 31.03.2008, 10:38
Слово "нанотехнология" прочно вошло не только в научный, но и в экономический обиход. Неудивительно, что в Российской академии наук уже готов проект обширной программы фундаментальных исследований в этой области, который вскоре будет предложен правительственной комиссии. Между тем недавний социологический опрос показал, что более половины россиян по-прежнему не знают, что это такое.
– Нанотехнологиями нынче и в самом деле называют любое научное направление, где приходится работать со сверхмалыми частицами, – рассказывает председатель президиума Пущинского научного центра, заместитель директора Института биоорганической химии РАН, академик Анатолий МИРОШНИКОВ. – Хотя есть вполне отработанное определение, которое мы в РАН сформулировали еще в декабре 2002 года на специальной сессии, посвященной этой теме. Под нанотехнологиями следует понимать такой процесс, когда мы строим материал, структуру, прибор на атомном уровне. При этом переход к малым размерам должен приводить к появлению новых свойств, которых нет в окружающем нас мире. Проще говоря, это область науки, манипулирующая объектами размером менее 100 нанометров. Приставка "нано" означает 10 в минус девятой степени. То есть нанометр в один миллиард раз меньше обычного метра.
– Когда началось освоение новой науки?
– Это произошло в 2000 году, после того, как американцы случайно открыли возможность создания в лазерном разряде миниатюрных частиц, состоящих только из атомов углерода. Оказалось, что атомы углерода при определенных условиях могут соединяться между собой, образуя нанотрубки и шарики, которые назвали фуллеренами. Они обладают очень интересными свойствами. Если белки, нуклеиновые кислоты и другие органические молекулы подвергаются разрушению под влиянием, например, температуры или света, то эти нанотрубки и фуллерены абсолютно инертны.
– Для каких целей они могут применяться?
– Из таких углеводных структур можно делать, к примеру, своего рода "упаковки" для доставки лекарств по кровеносным сосудам. Дело в том, что при традиционном лечении точно в мишень попадает лишь незначительное количество лекарственных препаратов. Большая часть по пути к больному органу разрушается ферментными и иммунными системами. Фуллерен же дойдет до цели в целости и сохранности, а значит – сохранит необходимое количество лекарства. Такую структуру, уверен, можно создать не только из углевода, но также из серы и из металла.
– Но ведь нанотехнологии широко используются и в других сферах?
– Разумеется. Наиболее яркий пример – электроника, основанная на кванторазмерных эффектах. Возьмем квантовые точки. Это наночастицы, излучающие световые волны строго определенной длины, причем эта длина меняется с изменением размера частицы. Умная природа сооружает все с атомной точностью, и мы пользуемся этим в разных аспектах. Не случайно известный американский ученый Лео Эсаки, получивший в 1973 году Нобелевскую премию за работу по туннельным явлениям в полупроводниках, дал прекрасное определение: есть в мире кристаллы, которые созданы Богом, а есть те, что созданы человеком. Мы используем кванторазмерные эффекты, выведенные из исследований микроуровня природы, для создания принципиально новых классов материалов и структур со свойствами, которые не существуют в природе. Это, в частности, широко используемые в нанотехнологии полупроводниковые сверхрешетки, квантовые ямы, квантовые проволоки и так далее. Конечно, их создание было бы невозможно без развития диагностических методов, которые тоже придуманы отнюдь не вчера.
– Но всегда ли можно получить быстрый экономический результат от этих и других исследований, связанных с наночастицами?
– В области наноуглеродных трубок уже сейчас можно говорить о больших коммерческих возможностях использования научных изысканий. Что же касается наноэлектроники, то и она способна приносить огромную прибыль. Я говорю прежде всего о ярких светодиодах, которые придут на смену всему современному электроосвещению через 15–20 лет. Кстати, та же наноэлектроника позволит в ближайшем будущем создать экономически эффективную солнечную энергетику. Сегодня достигнут мировой рекорд по преобразованию солнечного света в электричество – КПД достигает 40 процентов. Это сделано благодаря тому, что мы построили структуры из нанометровых слоев разных веществ. В результате удается превращать в электроэнергию свет всего солнечного спектра. Другой пример – новые типы лазеров, которые пришли на смену лазерам старым, построенным на классических гетероструктурах. А это несметное число применений. Когда вы приходите в кабинет физиотерапии и вас лечат лазером, вы даже не задумываетесь о том, что он работает на квантовых наноструктурах. Это лучшее свидетельство того, сколь глубоко эти технологии уже вошли в нашу жизнь.
– Какие разработки вашего института в этой сфере вы считаете приоритетными?
– Наша основная задача – изучение биологических молекул в организме. Ведь до сих пор о них крайне мало известно. А ведь эти знания можно было бы использовать на практике. Вот, например, одна из основных разработок нашего института – нанопроводники на основе ДНК. Как оказалось, ДНК не только хранит генетическую информацию, но и может проводить электричество. Для этого надо ввести в нее ионы благородных металлов, например, золота, платины, палладия. Такой проводник можно применять в электронике. Допустим, для соединения микроскопических электронных устройств в единую схему.
Еще пример. В Институте белка Пущинского научного центра работает лаборатория, которая занимается расшифровкой движения жгутика бактерий. По сути, бактерия – миниатюрная машинка с моторчиком, за счет которого она может передвигаться. Мы пока не до конца знаем, какие ферментные системы заставляют вращаться ее хвостик. Но если мы сумеем это выяснить, то теоретически станет возможным создание органического двигателя, которому не нужен ни бензин, ни газ. И, думаю, через два-три года мы придем к определенным результатам. А вообще я не сомневаюсь, что именно нанобиотехнологии уже в скором времени окажут наибольшее влияние на цивилизацию.
– В ближайшие пять лет на развитие инфраструктуры наноиндустрии будет выделено около 200 миллиардов рублей. Помогут ли такие денежные вливании развитию нанотехнологий в России?
– Внимание, которое сейчас обращено к нанотехнологиям, надеюсь, позволит нам оставаться на достаточно высоком уровне. Тем более что направление это новое, а потому мы не успели еще отстать от мирового прогресса. Хотя 200 миллиардов – не такие уж и большие инвестиции. Их можно потратить и не получить никаких результатов. Беда в том, что для мощного рывка в области нанотехнологий нужно развивать и другие направления науки, в том числе биотехнологий, а этого мы пока не наблюдаем. Скажем, в тех же биотехнологиях мы начинаем серьезно отставать. Хотя еще лет 15–18 находились на достаточно высоком уровне. А ведь это создание лекарств XXI века. Это генно-инженерный инсулин, генно-инженерный гормон роста, интерфероны – все те медицинские препараты, которые будут работать на высоком наноуровне. Они смогут точно блокировать или активировать нужные участки в организме, причем без вреда для здоровья. Понимаете, когда вы хотите создать какую-то большую машину, вы не может бросить деньги только на создание тормозов. Вы должны создать и двигатель, и системы безопасности, и даже вложить какие-то деньги в дизайн кузова. Не все это понимают.
– "Российская корпорация нанотехнологий" планирует к 2015 году занять четыре процента мирового рынка в своем сегменте, а затем и вовсе стать его передовиком. Это, по-вашему, реально?
– Думаю, мировое лидерство в области нанотехнологий придет к России при соблюдении трех условий. Первое – страна должна внести вклад в мировую "копилку" фундаментальных знаний. Отметим, что с этой задачей мы уже успешно справляемся: огромное число отечественных ученых, среди которых немало светил с мировыми именами, трудятся по всему миру, внося тот самый вклад в развитие новых технологий. Второе условие – создание глобальной площадки для обсуждения проблем отрасли. Это действительно было бы очень полезно, хотя бы потому, что бывшие соотечественники смогут поделиться с нами большим опытом. Третий пункт в стратегии победы – это завоевание лидирующих позиций на мировых рынках нанотехнологической продукции. Здесь все, пожалуй, куда более конкретно. К счастью, уже существует проект программы развития наноиндустрии, согласно которому предполагается, что через семь лет российские предприятия должны произвести нанотоваров на сумму более четырех триллионов рублей. Это еще не лидерская позиция, но тот задел, который позволит в ближайшие годы прорваться в число лидеров.
– Нанотехнологиями нынче и в самом деле называют любое научное направление, где приходится работать со сверхмалыми частицами, – рассказывает председатель президиума Пущинского научного центра, заместитель директора Института биоорганической химии РАН, академик Анатолий МИРОШНИКОВ. – Хотя есть вполне отработанное определение, которое мы в РАН сформулировали еще в декабре 2002 года на специальной сессии, посвященной этой теме. Под нанотехнологиями следует понимать такой процесс, когда мы строим материал, структуру, прибор на атомном уровне. При этом переход к малым размерам должен приводить к появлению новых свойств, которых нет в окружающем нас мире. Проще говоря, это область науки, манипулирующая объектами размером менее 100 нанометров. Приставка "нано" означает 10 в минус девятой степени. То есть нанометр в один миллиард раз меньше обычного метра.
– Когда началось освоение новой науки?
– Это произошло в 2000 году, после того, как американцы случайно открыли возможность создания в лазерном разряде миниатюрных частиц, состоящих только из атомов углерода. Оказалось, что атомы углерода при определенных условиях могут соединяться между собой, образуя нанотрубки и шарики, которые назвали фуллеренами. Они обладают очень интересными свойствами. Если белки, нуклеиновые кислоты и другие органические молекулы подвергаются разрушению под влиянием, например, температуры или света, то эти нанотрубки и фуллерены абсолютно инертны.
– Для каких целей они могут применяться?
– Из таких углеводных структур можно делать, к примеру, своего рода "упаковки" для доставки лекарств по кровеносным сосудам. Дело в том, что при традиционном лечении точно в мишень попадает лишь незначительное количество лекарственных препаратов. Большая часть по пути к больному органу разрушается ферментными и иммунными системами. Фуллерен же дойдет до цели в целости и сохранности, а значит – сохранит необходимое количество лекарства. Такую структуру, уверен, можно создать не только из углевода, но также из серы и из металла.
– Но ведь нанотехнологии широко используются и в других сферах?
– Разумеется. Наиболее яркий пример – электроника, основанная на кванторазмерных эффектах. Возьмем квантовые точки. Это наночастицы, излучающие световые волны строго определенной длины, причем эта длина меняется с изменением размера частицы. Умная природа сооружает все с атомной точностью, и мы пользуемся этим в разных аспектах. Не случайно известный американский ученый Лео Эсаки, получивший в 1973 году Нобелевскую премию за работу по туннельным явлениям в полупроводниках, дал прекрасное определение: есть в мире кристаллы, которые созданы Богом, а есть те, что созданы человеком. Мы используем кванторазмерные эффекты, выведенные из исследований микроуровня природы, для создания принципиально новых классов материалов и структур со свойствами, которые не существуют в природе. Это, в частности, широко используемые в нанотехнологии полупроводниковые сверхрешетки, квантовые ямы, квантовые проволоки и так далее. Конечно, их создание было бы невозможно без развития диагностических методов, которые тоже придуманы отнюдь не вчера.
– Но всегда ли можно получить быстрый экономический результат от этих и других исследований, связанных с наночастицами?
– В области наноуглеродных трубок уже сейчас можно говорить о больших коммерческих возможностях использования научных изысканий. Что же касается наноэлектроники, то и она способна приносить огромную прибыль. Я говорю прежде всего о ярких светодиодах, которые придут на смену всему современному электроосвещению через 15–20 лет. Кстати, та же наноэлектроника позволит в ближайшем будущем создать экономически эффективную солнечную энергетику. Сегодня достигнут мировой рекорд по преобразованию солнечного света в электричество – КПД достигает 40 процентов. Это сделано благодаря тому, что мы построили структуры из нанометровых слоев разных веществ. В результате удается превращать в электроэнергию свет всего солнечного спектра. Другой пример – новые типы лазеров, которые пришли на смену лазерам старым, построенным на классических гетероструктурах. А это несметное число применений. Когда вы приходите в кабинет физиотерапии и вас лечат лазером, вы даже не задумываетесь о том, что он работает на квантовых наноструктурах. Это лучшее свидетельство того, сколь глубоко эти технологии уже вошли в нашу жизнь.
– Какие разработки вашего института в этой сфере вы считаете приоритетными?
– Наша основная задача – изучение биологических молекул в организме. Ведь до сих пор о них крайне мало известно. А ведь эти знания можно было бы использовать на практике. Вот, например, одна из основных разработок нашего института – нанопроводники на основе ДНК. Как оказалось, ДНК не только хранит генетическую информацию, но и может проводить электричество. Для этого надо ввести в нее ионы благородных металлов, например, золота, платины, палладия. Такой проводник можно применять в электронике. Допустим, для соединения микроскопических электронных устройств в единую схему.
Еще пример. В Институте белка Пущинского научного центра работает лаборатория, которая занимается расшифровкой движения жгутика бактерий. По сути, бактерия – миниатюрная машинка с моторчиком, за счет которого она может передвигаться. Мы пока не до конца знаем, какие ферментные системы заставляют вращаться ее хвостик. Но если мы сумеем это выяснить, то теоретически станет возможным создание органического двигателя, которому не нужен ни бензин, ни газ. И, думаю, через два-три года мы придем к определенным результатам. А вообще я не сомневаюсь, что именно нанобиотехнологии уже в скором времени окажут наибольшее влияние на цивилизацию.
– В ближайшие пять лет на развитие инфраструктуры наноиндустрии будет выделено около 200 миллиардов рублей. Помогут ли такие денежные вливании развитию нанотехнологий в России?
– Внимание, которое сейчас обращено к нанотехнологиям, надеюсь, позволит нам оставаться на достаточно высоком уровне. Тем более что направление это новое, а потому мы не успели еще отстать от мирового прогресса. Хотя 200 миллиардов – не такие уж и большие инвестиции. Их можно потратить и не получить никаких результатов. Беда в том, что для мощного рывка в области нанотехнологий нужно развивать и другие направления науки, в том числе биотехнологий, а этого мы пока не наблюдаем. Скажем, в тех же биотехнологиях мы начинаем серьезно отставать. Хотя еще лет 15–18 находились на достаточно высоком уровне. А ведь это создание лекарств XXI века. Это генно-инженерный инсулин, генно-инженерный гормон роста, интерфероны – все те медицинские препараты, которые будут работать на высоком наноуровне. Они смогут точно блокировать или активировать нужные участки в организме, причем без вреда для здоровья. Понимаете, когда вы хотите создать какую-то большую машину, вы не может бросить деньги только на создание тормозов. Вы должны создать и двигатель, и системы безопасности, и даже вложить какие-то деньги в дизайн кузова. Не все это понимают.
– "Российская корпорация нанотехнологий" планирует к 2015 году занять четыре процента мирового рынка в своем сегменте, а затем и вовсе стать его передовиком. Это, по-вашему, реально?
– Думаю, мировое лидерство в области нанотехнологий придет к России при соблюдении трех условий. Первое – страна должна внести вклад в мировую "копилку" фундаментальных знаний. Отметим, что с этой задачей мы уже успешно справляемся: огромное число отечественных ученых, среди которых немало светил с мировыми именами, трудятся по всему миру, внося тот самый вклад в развитие новых технологий. Второе условие – создание глобальной площадки для обсуждения проблем отрасли. Это действительно было бы очень полезно, хотя бы потому, что бывшие соотечественники смогут поделиться с нами большим опытом. Третий пункт в стратегии победы – это завоевание лидирующих позиций на мировых рынках нанотехнологической продукции. Здесь все, пожалуй, куда более конкретно. К счастью, уже существует проект программы развития наноиндустрии, согласно которому предполагается, что через семь лет российские предприятия должны произвести нанотоваров на сумму более четырех триллионов рублей. Это еще не лидерская позиция, но тот задел, который позволит в ближайшие годы прорваться в число лидеров.