Нанотехнологии и мегапроекты: размер не имеет значения?
В самом начале я хочу объяснить, что такое нанотехнологии, для этого приведу правильное на мой взгляд определение. Нанотехнологии — это технологии производства материалов и устройств с определяющими их свойства элементами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.
Для того, чтобы наглядно представить, о сколь малых размерах идет речь, можно сказать, что, например, человеческая ладонь столь же больше одного нанометра, сколь ее размер меньше диаметра Земли.
Многие говорят: нанотехнологии — это «все, что меньше ста нанометров». Конечно, такое определение неправильно, хотя бы потому, что все атомы и молекулы как правило меньше ста нанометров. Поэтому, согласно такому определению, все технологии, касающиеся обработки любых материалов, будут нанотехнологиями. Тут есть очень важное свойство. Существует много материалов, у которых есть элементы меньше ста нанометров. И это не обязательно атомы или молекулы. Например, домены, которые возникают в стали и влияют на ее прочность. Но это совсем не значит, что чем домены меньше, тем сталь лучше. Все гораздо сложнее. Поэтому сталеплавильная индустрия не является нанотехнологией. В моей любимой «википедии» приведено такое определение:
«Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.»
Полупроводниковые наноструктуры: квантовые ямы и квантовые точки — «искусственные атомы»
Главное здесь то, что обязательно надо манипулировать отдельными атомами и молекулами. Представьте себе, что я хочу сделать какой-нибудь транзистор при помощи нанотехнологий. В мобильном телефоне, например, таких транзисторов несколько миллиардов, а в лэптопе их несколько десятков миллиардов. И вот я буду, «манипулируя отдельными атомами и молекулами», изготавливать транзистор за транзистором. Предположим, я буду изготавливать по одному в секунду. Сколько мне понадобится времени, чтобы изготовить один такой девайс? Думаю, к моменту моих похорон он будет готов в лучшем случае наполовину. Соответственно, такое определение не имеет значения для народного хозяйства. С помощью таких технологий ничего путного не сделаешь, можно только проводить исследования.
В настоящее время нанотехнологии являются самыми высокими технологиями. Они нужны, чтобы выжить в современных рыночных условиях. Например, рис, пшеницу и все, что мы едим, очень хорошо умеют выращивать китайцы. В отличие от нас, они мало едят, живут в теплом климате и получают очень мало денег. Поэтому, чтобы соревноваться с ними в культуре выращивания риса, нужно жить так же, как они.
Помните, в советские времена нам говорили, что тяжелая промышленность — это основа всего. Вот, например, судостроение — самая, что ни на есть, тяжелая промышленность. Корабли — самые большие устройства, которые производятся людьми. Оказывается, что в судостроении китайцы тоже очень хороши. Они это доказали еще в конце 80-х годов, когда Швеция в одночасье лишилась своей судостроительной отрасли, потому что китайцы стали строить точно такие же корабли, но гораздо дешевле.
Соответственно, выживание в современных рыночных условиях возможно, только если умеешь делать то, что никто другой не умеет. Придумать, а потом быстро делать, пока этому не научились другие. Еще хорошо бы защитить это каким-нибудь патентом. Правда, против китайцев патенты не всегда действуют…
Полупроводниковые нанотехнологии: революция света
Почему «полупроводниковые»? Потому что в силу современного развития науки и техники легче всего делать наноструктуры именно из полупроводников. Полупроводники не лучше, чем другие материалы, просто для них существует развитая инфраструктура и придумано много разных машин, которые обеспечивают рост полупроводниковых структур. Например, смартфон — в нем куча таких структур- транзисторов. Из транзисторов состоят микросхемы, благодаря которым устройства типа смартфона или компьютера работают. В старые добрые времена вместо них были лампы-триоды.
Сверхяркие светодиоды с силой света 10-15 тысяч кандел
Полупроводниковые лазеры с рекордной мощностью и эффективностью
Почему «революция»? Мы с вами уже наблюдали похожую революцию. Она заключалась в следующем: до некоторого времени считалось, что для создания какого-либо устройства нужно произвести детали, а потом их собрать. Свойства прибора определялись размером и формой его деталей. Это касалось всего без исключения, пока не придумали полупроводниковые приборы, которые постепенно заменили, например, триоды на транзисторы. Разница заключается в том, что полупроводниковые приборы делаются не из деталей, их как будто намазывают слой за слоем, как бутерброд. Хлеб — это полупроводниковая пластина, дальше можно «намазывать» «масло», «сыр» — различные полупроводники… А детали в таких приборах по сути дела отсутствуют. Представьте себе, что мы делаем бутерброд, поочередно намазывая на хлеб сначала масло «Валио», потом масло «Тысяча озер», потом «Вологодское»… Только большому гурману под силу определить на вкус, из каких сортов масла состоит этот бутерброд. В полупроводниковых структурах, из которых делают транзисторы, слои различаются даже меньше, чем разные сорта масла на нашем бутерброде. Если посмотреть на такую структуру невооруженным глазом, мы ничего не поймем: то ли это один проводник, то ли его слои чуть-чуть отличаются. Эти слои образуют так называемые полупроводниковые гетероструктуры — структуры из полупроводников, различающихся т.н. «шириной запрещенной зоны». За гетероструктуры в 2000 году Жорес Алферов получил Нобелевскую премию. Он поделил ее с американским коллегой Джоном Килби, который еще в 50-х годах придумал, что одну полупроводниковую пластину можно использовать для изготовления сразу нескольких устройств. Как-то, когда его коллеги были в отпуске, он сделал целых два транзистора, несколько резисторов и конденсаторов на одном куске полупроводника. Таким образом, у него получилась первая в мире микросхема радиоприемника. Со временем плотность «упаковки» транзисторов становилась все больше, сейчас на одной полупроводниковой пластине их может быть десятки и сотни миллиардов. Именно благодаря этому мы можем очень быстро обрабатывать информацию на компьютерах, лазать по интернету или пользоваться высокоскоростной связью.
Сейчас происходит аналогичная революция, правда в области использования света. Например, все мы пользуемся лампами накаливания, хотя знаем, что они очень неэффективны, потому что светятся благодаря раскаленному кусочку металла. Соответственно, большая часть излучения этих лампочек находится в инфракрасной области, которую мы не воспринимаем зрением. Хотелось бы сделать освещение более эффективным.
Светодиоды — это новые источники света, которые делаются на основе полупроводниковых структур, излучающих свет. Они уже достигли уровня натриевых, самых эффективных среди ламп накаливания, и продолжают бурно развиваться. Например, из одинаковых на вид кристалликов полупроводника можно получать любой свет: красный, синий, зеленый, т.к. цвет свечения полупроводника определяется не температурой нагрева, а шириной запрещенной зоны в полупроводнике. Для каждого полупроводника ширина запрещенной зоны своя, поэтому можно подбирать цвет свечения по нашему желанию. Даже белый, который, как известно, является зрительным обманом. Чтобы его получить, на поверхность синего светодиода наносится желтый люминофор — вещество, которое поглощает свет одного цвета, а испускает свет другого цвета. В данном случае как правило используется церий — он поглощает синий свет, а испускает желтый. В зависимости от того, пожалели люминофор или щедро капнули, получается цвет теплый или холодный — желтоватый или синеватый.
Кроме того, что с помощью светодиодов можно получать свет разных цветов, они очень долго светят, примерно 100 тыс. часов. То есть около 11 лет, тогда как обычные лампочки перегорают за год. Соответственно, это может быть новой концепцией освещения: например, светильник покупается с полупроводниковой лампочкой-светодиодом, и вместе с ней и выбрасывается.
Светодиоды используются уже сейчас в специальных видах подсветки, например, для налобных фонарей шахтеров. По сравнению с обычной лампочкой, светодиоду необходимо гораздо меньше напряжения, примерно 3 вольта, а значит — нет опасности возникновения искры и взрыва метана в шахте. Как известно, основная проблема шахт — это освещение. Если шахтеры попадают в завал, то, как правило, выходят из него только за счет экономного использования своих фонарей, то есть зажигают их по очереди, если же все будут гореть одновременно, света хватит на 8 часов (это определяется емкостью аккумулятора). Кончился аккумулятор — скоро кончится жизнь. Если же от такого аккумулятора питать светодиод, он будет светить около 20 часов, а в экономном режиме — 2 недели. Кстати, в отличии от обычной лампочки светодиод очень сложно механически разрушить, поэтому наши шахтеры отдают предпочтение именно таким фонарям.
Система индикации температуры воды в бытовых смесителях «Световод», основанная на волноводном эффекте и использовании светодиодов
Спектры излучения различных светодиодов в средней инфракрасной области спектра
Кроме того, из светодиодов можно делать целые прожектора, например, для кораблей. Бывают случаи, когда во время шторма моряки выпадают за борт. Так как в воде очень холодно, человека нужно доставать быстро или совсем не доставать. Для этого необходимо какое-то устройство, которое светит в любую погоду, не подвергается атмосферным воздействиям, быстро включается и не ломается при ударе о палубу. Кроме того, у него должен быть мало расходящийся луч и сила света не меньше ста тысяч кандел, чтобы освещать поверхность моря на километр. Для сравнения — боевые прожектора, при помощи которых в Блокаду сбивали самолеты, имели силу света порядка миллиона кандел. Еще одним достоинством светодиодного прожектора является то, что во время работы он остается холодным, тогда как к боевому прожектору в 1 млн. кандел подойти опасно. Он очень сильно нагревается, и его нельзя трогать руками.
Фосгеном не пахнет?
Еще одно применение нанотехнологий. Дело в том, что большинство газов имеют весьма специфические линии поглощения в так называемой средней инфракрасной области. Мы видим только «видимый» свет, длина волны которого примерно от четырех десятых до восьми десятых микрона. В средней инфракрасной области длина волны составляет от двух до пяти микрон, причем у каждого газа есть линии поглощения в средней инфракрасной области, которые так же отличаются друг от друга, как отпечатки пальцев у людей. То есть, зная эти линии, можно точно сказать, содержится ли газ в воздухе или нет. Есть много газов, которые хотелось бы определять не по запаху. Простейший пример — склад химического оружия. «Старшина Пэтрэнко, сходи проверь, не пахнет ли там фосхэном!» Если Петренко пойдет и понюхает, то он не сможет доложить: «Да, пахнет». Только: «Нет, товарищ полковник, не бачу». Соответственно, лучше вместо старшины Петренко посылать кого-то неживого. Например, поставить пару: инфракрасный лазер/светодиод и фотоприемник, и смотреть, как у фотоприемника изменяется его ответный сигнал, то есть, поглощает ли какой-нибудь газ излучаемый свет. Именно благодаря этим усилиям в полупроводниковых нанотехнологиях, становятся возможными такие вот необычные применения. С ними можно столкнуться не только на складах военного оружия — в каждой квартире необходим пожарный датчик на основе детектора углекислого газа.
А вот другой интересный пример — наши питерские гаишники смекнули, что и у спирта есть специфические линии поглощения в средней инфракрасной области, поэтому они заказали на одном предприятии некую приставку к гаишному лазерному радару (т.н. «лидару»), которая измеряет отражение не от переднего бампера или лобового стекла автомобиля, а от заднего стекла. Таким образом, свет лазера будет проходить через салон автомобиля. Ну а там уже не проблема определить, поглотился свет при помощи спирта или нет. Если поглотился — есть повод поговорить с водителем.
Еще одно необычное применение. Дело в том, что есть такое «магическое» определение «оптический пинцет». Это не тот пинцет, которым можно погнуть оптическую ось. Скорее это касается закона преломления: свет, проходя через какую-либо поверхность, например через стекло, преломляется. Если кто видел рыбку в воде, и ему хотелось ткнуть ее чем-то острым, то, как правило, это не получалось, потому что рыбка была видна в одном месте, а плавала в другом. Таким образом, свет, падая на воду под одним углом, проходит сквозь нее под другим. Если я буду смотреть из воды наружу, то выяснится, что при некотором угле обзора свет не будет выходить из воды совсем. Например, когда я ныряю, то вижу из-под воды отражение от ее поверхности. Точно так же свет, введенный в какое-то вещество, например, в так называемое «оптическое волокно» входит и распространяется, не выходя наружу.
Пояснение принципа действия оптического пинцета
Можно сделать наоборот. Предположим, маленький кусочек вещества находится в луче света. Попробуем перетащить его в другое место, «схватив» этим лучом. Это было бы очень удобно для биологов, ведь если взять клетку обычным пинцетом, то она после этого будет не совсем живым организмом. А ведь хочется покопаться еще и внутри клетки, ДНК потрогать… Для этого, конечно, нужны не обычные пинцеты, а что-нибудь более деликатное. Допустим, мы посветили на клетку и как бы «схватили» ее светом — это и называется оптический пинцет.
Пусть появилась какая-то сила, которая пытается наше вещество — например, клетку — из нашего луча света «выудить». Предположим, что она его уже почти «выудила», но свет при этом стал преломляться. При этом частицы света — фотоны — изменяют направление своего движения из-за преломления света. И в силу закона сохранения импульса возникает сила, которая пытается «запихать» наше вещество обратно в свет. Именно поэтому такое устройство, как оптический пинцет, и может работать.
Соответственно, такое применение света тоже существует. Оно очень важно именно для исследования живых систем. И это нужно не только в лабораториях где изучают живые клетки. Дело в том, что сейчас совершенно серьезно обсуждается возможность размещения «лаборатории» на чипе. То есть берем что-то размером с кредитную карточку, кладем на нее свой палец, маленькая иголочка его укалывает и берет одну сотую мл крови. Кровь при помощи устройств типа оптических пинцетов растаскивается по микролабораториям, находящимся на этой «карточке». В одном месте меряется уровень сахара, в другом уровень гемоглобина, в третьем что-то еще. Таким образом, без визита к доктору, можно поставить первоначальный диагноз. Потом эта карточка по Wi-Fi связывается с вашим домашним компьютером, а тот уже передает доктору через интернет информацию о состоянии вашего здоровья. Доктор, не выходя из кабинета, сообщает вам диагноз и назначает лечение. Естественно, рыночные перспективы этого проекта огромные. И средств в него вливается очень много.
Солнечная фотоэлектрическая установка (СФЭУ) мощностью 1 кВт на основе 18 концентраторных фотоэлектрических модулей (КФЭМ) общей площадью 4,5 м2, установленных на системе слежения за Солнцем
Не предел мечтаний
Ну, и последнее. Мне кажется, что нынешние видеопроекторы скоро совсем перестанут использоваться. Конечно, по сравнению с телевизором они являются громадным шагом вперед: можно делать изображение почти любого размера и задешево. Но это далеко не предел мечтаний. Дело в том, что в проекторе стоит галогенная лапочка, которая весьма неэффективна, потому что излучает очень много тепла. Во время работы проектора всегда слышно жужжание, это шумит вентилятор, который является самым главным устройством. Ведь если сломается любая деталь проектора, ее можно будет починить, а если сломается вентилятор, то очень быстро произойдет перегрев и сгорят все детали. Получается, что вентилятор нужен только из-за неэффективной лампочки.
Давайте сделаем источник света более эффективным, поставим вместо лампы три лазера: красный, синий, зеленый. По аналогии с телевизором. Благодаря своим небольшим размерам и высокой эффективности они смогут применяться даже в мобильных устройствах, типа смартфонов. На данный момент основной проблемой смартфонов являются маленькие кнопки и маленький экран. Однако все может измениться, если использовать лазерную проекцию. Уже появились проекционные клавиатуры: когда один лазер проецирует на стол или любую другую поверхность изображение клавиатуры, а другой считывает отражение ваших ногтей. Соответственно, можно печатать почти как по-настоящему. Именно эти технологии станут основой для создания новых мобильных устройств, которые появятся в ближайшие год-два. И они, конечно, изменят облик наших гаджетов.
Оптическая схема фрагмента концентраторного модуля: две линзы Френеля; два каскадных фотопреобразователя, расположенных в фокусе линз; защитный (байпасный) диод; основание из листовой меди, используемое в качестве теплоотвода
Есть еще множество новых применений света, о которых я не смог сейчас рассказать. Но не могу напоследок не упомянуть хотя бы вскользь одно «новое» применение света, которое можно назвать «хорошо забытым старым».
Все более важной, даже одной из основных проблем человечества становится недостаток энергии. Между тем, почти вся энергия, которой мы пользуемся, получается за счет света Солнца. Причем не только энергия, запасенная в углеводородах миллионы лет назад, но и так называемые «возобновляемые источники»: очевидно ведь, что без солнечного света не будет испаряться вода с поверхности океанов, перестанут образовываться облака, идти дожди и перестанут течь реки, что сделает невозможной работу гидроэлектростанций. Поэтому разумно было бы использовать солнечный свет для получения электроэнергии напрямую, «без посредника».
Для этого придуманы так называемые «солнечные фотоэлементы» — полупроводниковые преобразователи солнечного света в электричество. Современные эффективные фотоэлементы являются, пожалуй, одними из самых сложных и высокотехнологичных полупроводниковых наноструктур. Но дело того стоит — еще в советские времена было подсчитано, что все потребности СССР в электроэнергии могли быть удовлетворены за счет солнечной электростанции площадью 70×70 км где-нибудь в Средней Азии. Тогда реализация такого проекта не была экономически оправдана — и уровень технологии был недостаточен, и углеводороды были дешевле. А вот сейчас — совсем другое дело.
Когда верстался номер. 3 декабря было официально объявлено решение группы ОНЭКСИМ и «РОСНАНО» инвестировать около 1 млрд рублей в строительство завода по выпуску светодиодных кристаллов в Петербурге. Запуск завода планируется на середину 2010 года. Завод станет частью компании «Оптоган», которая займется выпуском светотехники нового поколения. Владельцы «Оптогана» — группа ОНЭКСИМ (50% + 1 акция), ФГУП «Уральский оптико-механический завод им. Яламова» (33% — 1 акция) и «РОСНАНО» (17%). По плану в 2013 году «РОСНАНО» выйдет из состава учредителей. К тому моменту годовая выручка предприятия должна достигнуть 6 млрд рублей. Генеральным директором ЗАО «Оптоган» назначен Максим Одноблюдов. В 2004 году он вместе с Владиславом Бугровым (оба — в прошлом сотрудники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе) основал немецко-финскую компанию Optogan, которую недавно приобрела группа ОНЭКСИМ. Физтеховцами (также с помощью бывших коллег, основавших высокотехнологичные компании за рубежом) планируется в скором времени привлечь финансирование для строительства в Санкт-Петербурге завода по производству солнечных фотоэлектрических установок.
Григорий Соколовский — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе
Лекция Григория Соколовского прочитана в клубе «Сочи» в рамках проекта «Прочтения» «Лекторий-профилакторий»