Говорят, начало нанотехнологиям положило высказывание американского физика Фейнмана, который еще в пятьдесят девятом году прошлого века в одной из своих лекций обмолвился, будто "внизу" (имелся в виду микронаномасштаб) много места. Правда, увидеть и подвергнуть исследованию то, что происходит в микромире, удалось лишь многие десятилетия спустя. Сам термин "нанотехнологии", например, был придуман лишь в семьдесят шестом, японцем Тамагучи.

А "увидеть" атом ученые смогли только в восемьдесят втором. Первых успехов на этом поприще добились специалисты компании IBM Г. Бинниг и Х. Рорер. В своей лаборатории в швейцарском Цюрихе они проводили опыты по измерению туннельного тока между образцом кремния и подводимым к нему тонким вольфрамовым острием.

Увидев на самописце определенную периодичность колебаний силы тока, они вначале решили, что это артефакты или, проще говоря, помехи. Перепроверили все еще раз - колебания повторились. То, что обнаружили ученые, на самом деле было колебаниями материала образца под воздействием температуры - так называемым "тепловым дрейфом". При изменении расстояния между острием и образцом всего на один ангстрем (половина диаметра атома водорода) сила туннельного тока изменяется в десять раз, с атомарной точностью создавая "картинку" движения поверхности исследуемого материала.

Спустя всего четыре года, в восемьдесят шестом году (рекордно короткий для признания научных разработок срок), ученые из IBM получили за свое открытие Нобелевскую премию. А их простой, как и все гениальное, метод был взят за основу при создании первых образцов, так называемых "туннельных" микроскопов. Впрочем, для практических задач туннельные микроскопы оказались малопригодны - слишком уж много в них было недостатков и через некоторое время им на смену пришли атомно-силовые. Принцип их работы тоже несложен. Острие, взаимодействующее с образцом в них, крепится на специальную пластинку-лепесток. Приближаясь к поверхности материала, острие притягивается к ней межатомными силами, а лепесток изгибается. И это притяжение фиксируется при сканировании, что позволяет с высокой точностью "нарисовать" трехмерную картину наномира. Такой прибор универсален, неприхотлив, он не требует особых условий для измерений, но отличается также высоким разрешением, вплоть до атомарного.

Белорусская история силовой микроскопии

Разумеется, созданием аналогичных приборов занялись и отечественные ученые. Один из первых образцов атомно-силового микроскопа был изготовлен энтузиастами... в "подвале" Института физики твердого тела АН СССР, в подмосковной Черноголовке. Среди них можно назвать и выпускников Московского физико-технического института белоруса И. Свекло и украинца С. Прядкина. С их участием сделан первый, тогда еще в СССР атомно-силовой микроскоп, оснащенный динамическим зондом (той самой пластинкой с острием, о которой говорилось выше). И именно с их именами связан экспорт тематики атомно-силовой микроскопии в Беларусь. Параллельно с ними аналогичный проект, правда, основанный на несколько иных принципах (на статическом зонде), разработал в МГУ на факультете физики профессор В. Панов.

Не остались в стороне от упомянутых разработок и белорусы. Правда, первый туннельный микроскоп, который появился здесь, был российским - сделанным в подмосковном КБ вакуумной техники. И привез его в Беларусь, в Институт механики металлополимерных систем (ИММС) АН БССР в 1990 году Сергей Антонович Чижик. Сейчас он доктор технических наук, заведующий отделением нанопроцессов и наноматериалов Института тепло- и массообмена Национальной Академии Наук республики. В свое время он занимался расчетами моделей для трибологии - основной задачей была разработка идеи академика АН БССР А.И. Свириденка и д.т.н. М.И. Петроковца по учету молекулярной шероховатости и моделирования контакта поверхностей для создания высокоточных пар трения. Дело серьезно тормозилось отсутствием необходимого измерительного оборудования. О появлении нового поколения микроскопов Сергей Антонович узнал из научной публикации известного российского ученого член-корреспондента АН СССР М.С.Хайкина. И отправился на стажировку в Москву в Институт физических проблем АН СССР. Первый туннельный микроскоп, поступивший в Беларусь, не был снабжен ни компьютером, ни соответствующим программным обеспечением. Его ученым пришлось писать самим, на Фортране и Ассемблере, а работало оно на магнитных лентах, советских ЭВМ типа "СМ".

Позже в Минске появились и атомно-силовые микроскопы. Впрочем, приборы, купленные в России, были устаревшими, и белорусские ученые начали совершенствовать их самостоятельно, а затем и производить в небольших количествах. Правда, не все было так просто. На практике, при создании новых приборов, белорусы столкнулись с серьезными проблемами.

Пластинка с острием - так называемый динамический зонд - размером всего сто-двести микрометров, и, чтобы сделать и "оживить" его, а потом и применять, понадобился не один год теоретических и практических изысканий. Впрочем, были у белорусов и более быстрые успехи.

"Догонялки" с IBM

Первой серьезной задачей, с которой пришлось столкнуться в конце 80-х молодому кандидату наук Сергею Чижику, была оптимизация поверхностей "магнитный диск - магнитная головка", для винчестеров, производившихся тогда в Прибалтике, на НПО "Сигма". В то время, как бы это странно ни звучало, там были самые передовые разработки в этой области. Туда однажды наведался даже крупный триболог Б. Бхушан, возглавлявший в IBM отдел по решению проблем трения в "винчестерах". Дело в том, что тогда эта компьютерная компания серьезно отставала в упомянутой области (да-да, не удивляйтесь!), и Бхушану было поручено срочно ликвидировать прорыв.

Американцы, как и мы, впрочем, никак не могли решить серьезную проблему, связанную с конструкцией винчестеров. Когда диск "раскручивается", магнитная головка взлетает над ним и "парит" над поверхностью на расстоянии порядка ста нанометров (принцип, кстати, не изменился и сегодня). Вот этот "взлет" долгое время не получался. Головка "прилипала" к поверхности гладкого диска, не желала "отстыковываться" от него. Белорусы решили эту проблему, предложив специальную "взлетку" для головки и рассчитав соответствующим образом шаговые и высотные размеры выступов на этом участке магнитного диска.

Впрочем, мир пошел по другому пути. Ученые выяснили, что на дисках постоянно лежит слой влаги толщиной примерно несколько десятков нанометров. Она и создает дополнительное притяжение, буквально "приклеивая" головку к диску. Специалисты компании "Сигейт" разработали специальное тончайшее полимерное водоотталкивающее покрытие для дисков винчестеров, которое и помогло решить проблему. Ну а Бхушану пришлось покинуть IBM.

Рывок в глубину

Для Сергея Чижика атомно-силовой микроскоп оказался самым настоящим научным "клондайком". Даже для традиционных технологий, которыми он в то время занимался, необходимо было знать структуру материала, качество поверхности, шероховатость. Все это прибор был в состоянии измерить, предоставить пространственное изображение объекта (чего не может сделать ни один обычный микроскоп), под любым углом и в любой его точке. Сегодня такой микроскоп должен быть на столе в любой мало-мальски серьезной лаборатории, считает доктор Чижик, ведь для него не нужно вакуума, и, вообще, никаких особых условий.

Лаборатория нанопроцессов и технологий, которую он возглавляет, вплотную занимается совершенствованием технологии силовой микроскопии. Сегодня белорусские приборы могут не просто дать объемную картинку исследуемого образца, но и определить его локальные свойства (силовая спектроскопия), температуру, твердость и даже "услышать" то, что происходит на поверхности. Специалисты лаборатории осваивают и нанотомографию - сканирование подповерхностных структур исследуемых образцов.

Интересен метод осциллирующей трибометрии, освоенный в лаборатории. Он позволяет при помощи небольшой приставки к микроскопу проводить экспресс-испытания образцов на износ. Прибор генерирует частоту в десятки тысяч колебаний в секунду, а ученые наблюдают "портрет" трения и износа материалов в динамике. Причем, все это может делаться для деталей и образцов, размеры которых исчисляются в микрометрах.

На базе разработок, ведущихся в Институте, предприятие "Микротестмашины" производит штучные партии атомно-силовых микроскопов и другого оборудования, обеспечивая им сегодня десятки лабораторий страны и поставляя за рубеж. Здесь делаются не только сами микроскопы, но и программное обеспечение для визуализации данных. Нынешний программный комплекс для белорусских атомно-силовых микроскопов написан специалистами предприятия и предоставляет массу возможностей для обработки и интерпретации данных исследований.

Сегодня Беларусь - уже заметный в мире производитель оборудования для атомно-силовой микроскопии. На постсоветском пространстве подобная техника делается только в России, основные ведущие производители работают в богатейших государствах капиталистического лагеря, остальной мир, как говорится, "курит бамбук" или покупает чужие изделия.

Нанотрубки - килограммами

Слово "нанотехнологии" слышали все, но, мало кто знает, что удивительное создание природы - углеродные нанотрубки - вполне можно обнаружить в копоти обычного печного дымохода. Что же они собой представляют? Это трубочки, состоящие из атомов углерода, диаметром примерно в два нанометра и длиной до сотен микрометров. Они чрезвычайно прочны, имеют интересные электрические и другие свойства. Кроме трубок, могут формироваться фуллерены - "мячики" из шестидесяти (или семидесяти) атомов углерода. Механизм образования таких наноструктур понятен не до конца, но трубки уже синтезируют, в том числе и в Беларуси, в Институте тепло- и массообмена, по инициативе его директора академика С.А. Жданка. В институте выпускаются промышленные установки для этого.

Размером они примерно с платяной шкаф. Механизм работы такой установки несложен: при высоких температурах в плазму подается газ метан. В качестве катализатора роста используется железо или кобальт. Копоть, образующаяся в этом своеобразном "реакторе", содержит в высокой концентрации углеродные нанотрубки. Все лишнее затем уничтожается путем сжигания и химической очистки, остается лишь искомый продукт. Производительность установки может достигать до ста граммов нанотрубок в час.

Минские разработки

Спектр применения нанотрубок огромен. Самый простой пример - придание новых свойств композиционным и другим материалам. Если добавлять наночастицы в полимер или в металл, то они становятся "организующими центрами" и придают основе новые свойства - прочность, или проводимость. Из выращенного на плоской основе "леса" нанотрубок вполне можно сделать экран с высочайшим разрешением - ведь каждая трубка может быть носителем заряда и генерировать свечение.

В лаборатории нанопроцессов и технологий в Минске нанотрубкам нашли и такое применение - их "приращивают" к острию зонда атомно-силового микроскопа, обеспечивая ему высочающую чувствительность, - ведь никаким другим способом толщину острия невозможно довести до двух нанометров! Зато теперь ученые могут исследовать даже отдельные молекулы.

Последняя разработка столичных физиков - прибор для контроля качества готовых кремниевых пластин в условиях, близких к производственным, который предназначен для минского "Интеграла" и должен, наряду с другим оборудованием, обеспечить переход на субмикронные технологии - сначала 0,25, а затем и 0,18 микрона.

Ученые из Минска планируют взяться и за медицинские технологии. На матрице из нанотрубок, оказывается, отлично растут человеческие клетки. На Западе, например, пациентам уже вживляют коленные хрящи, выращенные из их же собственных клеток таким способом. На освоение нового метода, по словам доктора Чижика, должно хватить нескольких лет - разумеется, при достаточном финансировании.

А оно им просто необходимо. Можно, конечно, плюнуть на нанотехнологии и покупать микроскопы за рубежом. Только стоят они там в несколько раз дороже. И новую схему туда уже впаять не удастся, а значит, придется приобретать все новые и новые "улучшенные" образцы, вдобавок надо будет обучать специалистов, получать методическую помощь - тоже, разумеется, платно. Словом, придется снова работать на "дядю".

Именно поэтому государство все же не забыло об упомянутом направлении научных исследований. Сегодня уже существует государственная программа развития нанотехнологий в Беларуси. Подано более сотни заявок на финансирование научных проектов. Остается ждать новых разработок, практическое применение которых даст весомый экономический эффект.

Эдуард ТРОШИН