Яндекс.Метрика

Мечтания и ожидания

Мечтания и ожидания
Задуман был этот цикл статей о нанотехнологиях при встречах с директором института физики полупроводников академиком Александром Леонидовичем Асеевым и председателем Томского научного центра, директором Института физики прочности и материаловедения СО РАН Сергеем Григорьевичем Псахье. Чтобы пояснить, что это за работа и с чем ее «едят», академик Асеев придумал и нарисовал дерево полупроводниковой микроэлектроники. В своих лекциях и выступлениях перед учеными, студентами и в такой малограмотной в микроэлектронике аудитории, как журналисты, он это дерево демонстрирует.


И с его помощью выясняется, что многоветвистое дерево вбирает в себя столько отраслей знания и направлений, что, кажется, охватывает своим влиянием и значением весь мир, которому сулит коренные перемены в наших представлениях о том, что ждет людей в новом веке.

Назовем некоторые ветки, «висящие» на этом дереве: лазеры, светодиоды, солнечные элементы наземного и космического базирования, квантовые компьютеры и биты, полупроводниковые приборы, микромеханика и многое другое. И все это имеет прямое отношение к нанотехнологиям.

Когда мечтания и надежды обретут плоть и рабочее состояние, люди овладеют, например, искусственным зрением в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Но дальше множить примеры сам не буду. Потому что развитие микроэлектроники и нанотехнологий связано не только с огромными реальными переменами, но и с разного рода спекуляциями, субъективными истолкованиями или просто с элементарными выдумками. В России так бывает почти всегда: к новому делу, которое поддерживается государством крупными финансами, обязательно прилипнут или жулики, или авантюристы, желающие тоже «поучаствовать». Поэтому комментаторами пусть будут ученые. Им, как говорится, виднее. И прежде всего академик Асеев, который в нанотехнологиях у нас относится к первым лицам.

Революцию объявлял Клинтон
— Ситуация с темой, которую мы выбрали для нашей беседы,— рассказал Александр Леонидович, — действительно совсем непростая. Она в значительной степени связана с тем, что вообще сейчас происходит в стране и мире, хотя нанотехнологический бум начался не так давно — с выступления президента США Клинтона в конгрессе, где он заявил, что мир на пороге новой научно-технической революции. Это было всего лишь в 2000 году. И последствия этой революции, объявил американский президент, будут превосходить все то, что происходило в середине двадцатого века, когда открывали атомную бомбу, транзисторы и узнавали, положим, о достижениях генетики.

И тогда же с американской деловитостью и эффективностью Клинтоном было сформулировано несколько важных целей. Выделим из них три: первая — создание таких миниатюрных устройств памяти, чтобы они были у каждого американца и чтобы их емкость позволяла записать всю огромную библиотеку конгресса США.

— И что эта безразмерная память даст?

— Для сравнения, — ответил Асеев, — приведу одну формулировку, которую я запомнил еще в юности. Знаете ли вы, что изобретение пистолета несколько веков назад ликвидировало различия в физическом развитии людей? С его появлением даже щупленький человек, имея пистолет, мог постоять за себя при схватке наравне со здоровяком. А цель, поставленная Клинтоном, при ее достижении может ликвидировать различия в умственном развитии людей. При устройствах с колоссальной емкостью памяти середняк и троечник будут владеть наравне с отличниками всей информацией, которая существует на Земле.

Вторая цель, обнародованная Клинтоном, о которой стоит сказать, — это создание материалов прочнее стали раз в пять-шесть. Речь идет о прочности новых углеродных материалов, называемых фулереновыми трубками. Сейчас они у всех на слуху. С их приходом в массовое производство начнется переворот в машиностроении, в механике и во многих других отраслях. Кстати, первая Нобелевская премия за создание таких материалов уже получена. Появляются и первые амбициозные проекты. Например, такой, как… космический лифт. То есть предполагается вместо ракет, сжигающих много топлива, совсем не безвредного для экологии, атмосферы, «запустить» в космос трос намного прочнее, чем сталь, и длиной всего километров двести (ее достаточно, чтобы выйти в космическое пространство). Трос под влиянием центробежных сил мог бы вытянуться по прямой линии. Тогда его можно приспособить для подъема в космос различных механизмов и аппаратов. Согласитесь, что идея красивая.

— Соглашаюсь. Но она едва ли осуществима…

— Сейчас — да, — подтвердил Асеев. — Но перемены в наше время наступают столь стремительно, что мы уже с опозданием замечаем, как быстро меняется мир. Для этого достаточно вспомнить и третью цель, обозначенную американским президентом. В ближайшее время будут обновлены, если не отброшены совсем, многие нынешние методы лечения человека, которые никак нельзя назвать эффективными.

Известно, что сегодняшние лекарства действуют на весь организм, а лечить надо что-то одно. Актуальная задача — сделать доставку лекарств адресной, точной. И это решаемая задача. Наверняка вскоре появятся «поставщики» лекарств, например, в виде биокапсул нанометрового, конечно, размера, которые сами будут знать, куда в организме доставить то, что необходимо. Такие методы неоценимы по значению в борьбе со многими заболеваниями. Особенно онкологическими.

— Скажите, Александр Леонидович, а хоть одна из целей, провозглашенная в программном выступлении Клинтона, достигнута? Все-таки после него прошло восемь лет…

— Окончательно — нет, пока не достигнута. Но уже сделано в науке очень многое для достижения этих целей. Сейчас идет накопление знаний. Очень важно, кто окажется первым, впереди. Очевидно, что прорывы будут. Пусть без космического лифта, но не менее значительные. И при создании новых материалов, и при разработке новых лекарств и методов лечения. Впрочем, некоторые лекарства, обладающие адресными свойствами, уже появились.

— Но давайте, Александр Леонидович, сосредоточимся в нашей беседе не на целях американского менталитета, а на проблемах, достижениях и задачах в России по нанотехнологиям и микроэлектронике.

Нанотехнологии были давно
— Давайте, — согласился академик Асеев. — И начнем с того, что руководство страны, наш президент Владимир Владимирович Путин своевременно осознали, что наступающую научно-промышленную революцию пропустить нельзя. Отстать снова недопустимо. Опыт, в том числе и горький, учит.

— Это вы о чем?

— Это о том, что в двадцатых—тридцатых годах, правда, с помощью жесточайших, даже тиранических методов СССР сумел не отстать, догнать передовые страны по научно-техническому прогрессу. А далее он распался. В том числе и потому, что отстал. Сейчас мы гораздо надежнее и основательнее готовимся к новой научно-промышленной революции. Выделяются огромные средства для дальнейшего развития. Составлены программы по основным направлениям, предусмотрена тщательная организация работ по нанотехнологиям. Знаю это и как член научно-технического совета государственной корпорации по нанотехнологиям. В нем всего девятнадцать человек.

— Таким образом, вы тоже определяли цели по сформулированной программе?

— Представьте — нет. До сих пор. С учетом наших условий, первое, что сделано: определена головная организация. Это всем известный научный центр имени Курчатова. Но отсутствие целей или их размытость привели к тому, что громадное число людей, в том числе и без особых оснований, хотят вклиниться в намеченную программу. Эта ажиотажная волна связана, конечно, с запахом больших денег.

На самом деле нанотехнологии никак не открытие последних лет. Они давно появились, и сказать новое слово в этом направлении далеко не просто. Первые нанотехнологии были применены еще в цветных средневековых витражах. Они сделаны из смеси мелких, растертых частиц золота, стекла, меди и других компонентов. А мелкие частицы по-другому светятся. С ними стекло становится цветным. Если же задуматься, то любой процесс приготовления пищи тоже можно отнести с некоторой условностью к нанотехнологиям. В них все происходит на уровне молекул.

Но самая древняя, интуитивная нанобиотехнология — это приготовление вина. В брожении и вызревании активное участие принимают бактерии. А у них наноразмеры. Вся практически химия, особенно катализ, в сущности, работа с молекулами, то есть с частицами наноразмеров.

— Так вот почему ваше дерево такое густоветвистое? Оно приобщает к нанотехнологиям чуть ли не все науки и достижения?!

— Такая «ветвистость» и надеяться позволяет на многое… Например, в биологии, которая работает с клетками и вирусами.

— И все же, Александр Леонидович, судя по вашему рассказу, мы едва входим в мир… мини-размеров и только сейчас начинаем узнавать, что у него свои законы, преимущества и особенности.

— Это не совсем так. Наука в наномире уже давно уверенно себя чувствует. Она все больше узнает, что можно ожидать от наночастиц. Я уже несколько лет состою в рабочей группе Федеральной целевой программы, — продолжает рассказ академик Асеев, — по исследованиям и разработкам приоритетных направлений развития науки и техники в Российской Федерации. На шесть лет для этого направления выделено около двадцати миллиардов бюджетных денег. Будут, конечно, и внебюджетные деньги.

Стоимость всей программы — 180 миллиардов рублей.

Одно из самых крупных приоритетных направлений — «Индустрия наносистем и материалы».

— Целая индустрия наносистем?!

Чтобы чипы продавать по цене картошки
— Да, дело идет к тому. Во всяком случае четверть или даже треть всех средств, выделенных на приоритетные направления, пойдет именно на индустрию наносистем и новые материалы. Ежегодно на развитие этой индустрии уже отпускаются миллиарды. Но столь заметное финансирование очень строго «обставлено». Сначала объявляются квоты, потом конкурсы… Всю процедуру отбора детализировать не буду. Скажу лишь, что установленный фильтр при отборе всех поступающих предложений отсеивает многие из них. Уточню также, что будущие прорывы в нанотехнологиях связаны прежде всего с тем, насколько в работе будут использованы эффекты самоорганизации. Растения, как и живые существа, между прочим, сами организуют свой рост и свою жизнь. Того же, но, конечно, на более высоком уровне, ждут и от современных нанотехнологий. Еще и для того, чтобы они не были безумно дорогими. Нельзя забывать, что продукты микроэлектроники, которую наверняка потеснит наноэлектроника, — самые дорогие в истории человечества. Надо платить десятки миллионов долларов за килограмм таких продуктов. Задача нанотехнологий в том, чтобы подобные сложные продукты производить так же, как это удается природе при выращивании, например, картофеля.

— Иначе говоря, расчет на то, чтобы дорогостоящие чипы за счет процессов самоорганизации, которые еще поняты не до конца, «выращивать», производить по дешевке?

— Ну, при достаточно вольном сравнении примерно так… Нанотехнологии призваны снизить стоимость чипов на несколько порядков. Возможно, что лет через пятьдесят или сто, а может быть, и гораздо меньше, люди научатся конструировать эти сложные продукты из того, что вокруг нас, на месте, где потребуется, что, как ни удивительно сейчас, может привести к исчезновению… торговли. Зачем вам что-то покупать, если у вас появится возможность все производить самим?! Больше того, при таких возможностях логично возникновение и другого вопроса: а зачем тогда финансовая система, которая «стоит» на торговле?

Конечно, пока это в основном мечтания и ожидания, но все более на прочной и конкретной основе. Новая научно-промышленная революция буквально стучится во многие двери. Ученые в своих книжках сегодня вполне уверенно пишут, что за счет эффекта самоорганизации появятся нанороботы мелких размеров, сначала простые. Но мелкие роботы будут собирать еще более мелкие. Впрочем, почему будут? Эта работа уже началась… Присмотритесь к тому, что делает Япония. Такие роботы, в частности, очень нужны медицине. Чтобы запустить их в вену и очистить ее от холестериновых бляшек, к примеру. Наверняка изменится и все снаряжение военнослужащих. В ходу будут самозалечивающиеся ткани.

Не говоря уже о том, что коренным образом изменится и характер боевых действий. С помощью тех же нанороботов, которые вездесущи, и для них ничто не является препятствием. Это очень опасно, но появление таких средств воздействия уже не кажется выдумкой. У нас с конца прошлого года заработала федеральная целевая программа по поддержке инфраструктуры наноиндустрии, на которую отпущено более двадцати миллиардов. Все эти средства «расписаны». Основную часть денег получил головной научный центр — Курчатовский институт.

Корпорация «Роснанотех», которую возглавляет наш земляк (выпускник НГТУ) Леонид Борисович Меламед, тоже причастна ко всем этим работам.

— А когда ожидать от нанобума, попавшего в эпицентр событий, каких-то выдающихся результатов, заметных в практике работы?

— Не раньше чем через пять или десять лет.

— Что ж, это недалеко. Может, и дождемся…

— Программа по поддержке наноиндустрии носит рамочный характер. То есть она жестко организована и нацелена на конкретные результаты. Типа тех, которые обращены были когда-то к созданию, например, атомной бомбы. Однако сейчас рамочная программа выполняется в режиме свободного поиска. Но поиск, как я уже упоминал, ограничивается строгой конкурсной процедурой. Это, в сущности, торги, интеллектуальные бои, записываемые на магнитофон. Все тщательно протоколируется и сравнивается. И лишь потом подводятся итоги, определяются победители.

— А большие средства, Александр Леонидович, коснутся вашего института физики полупроводников?

— Мы к ним готовимся и продумываем концепцию их использования. Институтом накоплен уже большой опыт. В микроэлектронике, которой мы давно занимаемся, используются, конечно, наноразмерные материалы. Это пленки, диэлектрики, различные структуры и т.д. Но сейчас в электронике продолжается миниатюризация. Перед этим словом правильно еще добавить другое — микро. По существующему закону Мура, каждые полтора года размер активного элемента в микроэлектронике уменьшается ровно в два раза. И действует этот закон без отклонений последние тридцать лет. Сейчас по проектным нормам предусматриваются уже такие наноразмеры, по которым вчерашние нормы кажутся, скажем так, грубыми.

Это субмикронные нормы — сто нанометров. Работа идет в нанометровом диапазоне. И чипы уже выпускаются на фабриках именно с такими и даже меньшими размерами, что свидетельствует о переходе сегодня к наноэлектронике. Но и такая высококлассная работа оценивается теперь как эволюционный подход. На самом деле наноэлектроника делает такой скачок, при котором появляются так называемые квантовые эффекты. Их практическое использование и обозначит революцию, о которой сказал восемь лет назад Клинтон. И ныне ею озабочен весь мир науки и техники.

Но и это не все
— Но и это не все, — добавил Асеев. — Появляются новые, не виданные ранее, условия для дальнейшего развития.

Прежде всего для обработки громадных массивов информации. Квантовый компьютер по своим возможностям будет, если грубо сравнивать, как «Мерседес» по сравнению с телегой.

— Но это тоже в далеком будущем?

— Как вам сказать… Жизнь сейчас меняется очень быстро. Пока это еще в будущем. Но вот в далеком или нет — вопрос. Вспомним, как быстро распространились компьютеры, мобильники, ролики, дельтапланы, наконец, виртуальное пространство, которым пользуются уже миллионы людей. В том числе и в корыстных целях. Подчеркну попутно, что системы квантовой передачи информации являются абсолютно защищенными. Так что перемены едва ли заставят нас долго ждать. Сообщу вам, что у нас в институте уже создана экспериментальная, лабораторная система квантовой криптографии, защищающая информацию. И она успешно работает. Дальность действия ее — сто километров. Рано или поздно она будет привычной для правительственной и других видов связи.

Я вам рассказал только об одном виде современной электроники. А есть еще по меньшей мере шесть направлений. Одно из них вам достаточно знакомо. Знаю, что вы не раз о нем писали. Это силовая электроника. Она связана с разработкой новых интеллектуальных систем энергопотребления. Известно, что сейчас при передаче электроэнергии примерно двадцать процентов ее теряется. А это равно мощности всех наших АЭС. Выходит, что их можно не строить, если передавать электроэнергию с помощью полупроводников в интеллектуальных системах, использующих наноэлектронику.

Непрерывно совершенствуются системы генерации и приема радиоволн. В них тоже главную роль играют полупроводники. И здесь потребуются новые материалы с наноразмерами, которые позволят изделиям уменьшиться, а работать гораздо эффективнее. Вполне может быть так, что сегодняшний локатор самолета в ближайшем будущем станет размером сантиметров в десять.

Солнца нам хватит
Еже одно направление, достаточно молодое, — сенсорика.

Наш институт успешно заявил о нем технологией доктора наук Виктора Принца. Сейчас мы выпускаем сенсоры, которые на порядки чувствительнее, чем выпускаемые традиционно. Теперь совсем не фантастическая картина, когда сенсор управляет всем домом, едва вы в нем появляетесь: он устанавливает температуру в комнатах, разогревает пищу, сообщает о телефонных звонках и т.д. С помощью сенсорных устройств автомобили будут работать так, как это нужно в данный момент. Словом, с ними появятся «умные» дома, улучшится экология и многое другое.

Есть еще и три фотонные ветки развития. Упомяну только одну, давно известную. Это солнечная энергетика. От Солнца на Землю поступает энергии в тысячи раз больше, чем сейчас потребляет человечество. Это неограниченный источник энергии. И Солнце еще несколько миллиардов лет не погаснет.

— Так что нам хватит…

Мы посмеялись, и Александр Леонидович стал заканчивать свой рассказ.

— К сожалению, солнечную энергию мы не можем собрать, она рассеяна. Вот почему сейчас очень бурно идет развитие фотоприемников на полупроводниковых наноструктурах. Работа сложная, но уже есть достижения, позволяющие с оптимизмом смотреть в будущее. И с надеждой на то, что дорогая ныне солнечная энергетика тоже станет дешевле.

— И тоже, как картошка?

— Поживем — увидим.

Еще одно направление — различные источники света на основе полупроводниковых наноструктур. Это светодиоды, за которые получил Нобелевскую премию академик Алферов, лазеры. Ожидается, что будет массовый переход на полупроводниковые источники света, имеющие почти стопроцентную эффективность. Во всяком случае, до семидесяти — восьмидесяти процентов, не меньше.

— Но это уже близко или тоже еще будущее?

— Это уже рядом. Разработки есть, практика освоения новых источников света началась. Тотальный переход на них состоится на наших глазах.

— А когда появятся плащи из материала, который будет людей делать невидимыми? Это же тоже ваша разработка…

— Отвечу чуть позже. А пока обратим внимание еще на одну «ветку» дерева. Это наша любимая фотоника. То есть фотоприемные устройства. Если вы читали Кларка, то человечество должно создать глобальную систему тотального контроля над всеми. И это мало-помалу становится реальностью. Очень маленькие, просто миниатюрные устройства с «глазками», которые не разглядишь, увидят все, запомнят все и услышат все. Впрочем, во многом это реализовано уже сейчас. Наши фотоприемные устройства авторитет уже завоевали.

— Теперь все-таки вспомним о плащах-невидимках Принца. Они имеют шанс появиться?

— Полагаю, что имеют. Но, учитывая наши особенности по освоению инноваций, они могут сначала появиться в Китае или Гонконге. В конкуренции у нас замедленные темпы. Быстро осваивать новое мы умеем редко.

P.S. Беседа с председателем Томского научного центра С.Г. Псахье будет опубликована позднее.
Поделиться:
Копировать