Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Фостер Линн

4.4.1. Инновации происходят на границе познания

Прорывные инновации, являющиеся движущей силой развития и обновления технологий, естественно, происходят, образно выражаясь, на границе познания, то есть на передовых рубежах науки. Говоря в самом широком смысле и используя биологическую терминологию, можно сказать, что перспективные инновации не могут возникать в теплой, безопасной и уютной обстановке середины «стада». Инновации можно уподобить биологическим мутациям, происходящим где-то на краю среды обитания, то есть на границе выживаемости и поиска новых возможностей. Интересно, что в теории сложности объекты, обладающие структурой и сложностью (как физикоматематическим свойством), тоже возникают на границе хаоса, где проходит линия раздела между областями предсказуемого поведения систем и хаотической неопределенности. Точно так же в науке ценные прорывные инновации чаще всего возникают в междисциплинарных, необычных и комплексных исследованиях, далеких от академического формализма.

Возможно, особая притягательность и очарование нанотехнологий связаны именно с человеческим фактором отношения к науке. Нанонаука неожиданным образом выявляет целые области взаимного «перекрывания» фундаментальных наук и создает возможности для их «перекрестного опыления» идеями из чуждых научных дисциплин (квантовая физика и химия, биология, вычислительная техника и т. д.). Дело в том, что в процессе своего исторического развития каждая из академических наук выработала собственную систему ценностей, парадигм и даже собственный язык (или хотя бы терминологию), которые изолируют и отделяют ее от смежных дисциплин. Нанонаука (в самом общем смысле) дает ученым возможность вновь объединить свои системы и языки, предлагая им общие методы и объекты исследования. Объединяющее положение нанонауки среди прочих дисциплин схематически представлено на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Нанонаука представляет собой «перекресток» многих научных дисциплин

Развитие нанотехнологии вызывает интересные и ценные дискуссии в учебных заведениях и правительственных лабораториях, способствуя междисциплинарным исследованиям. Во многих институтах открываются отдельные факультеты и учебные центры, специализирующиеся в области нанонауки и нанотехнологии. Интересно, что здание факультета по нанотехнологиям в Стэнфордском университете располагается между учебными корпусами других специальностей (инженеры,

вычислительная техника, медицина), что как бы символизирует объединяющую роль новой науки. Более того, эту объединяющую и интегрирующую функцию она сохраняет и вне академической сферы, неожиданно создавая новые и непривычные комбинации в бизнесе и социальных оотношениях. Например, нанотехнологические товары и изделия имеют самое разное назначение (солнечные батареи, компьютерные чипы, лекарственные препараты и т. п.), что привело к активизации и появлению новых связей между специалистами по маркетингу, распределению и продаже в этих далеких отраслях. Расширение и обновление таких связей практически всегда оказывает благотворное воздействие на участников, создавая возможности для обмена знаниями и методами (физики назвали бы это синергетическим эффектом).

4.4.2. Хронология событий на рынке нанотехнологий

В литературе уже устанавливается простое и короткое название нанотех для коммерческих нанотехнологий, которым я буду пользоваться ниже для обозначения уже существующих прорывных инновационных проектов. Они охватывают множество разных производств (электроника, энергетика, фармацевтическая промышленность, материаловедение), но пока в основном находятся на начальной стадии развития. В дальнейшем ситуация может сильно измениться – Национальный научный фонд США предсказывает рост общего объема нанотеха через 15 лет до 1 триллиона долларов!

Вообще говоря, в далекой перспективе использование нанотехнологий приведет к революционным изменениям практически во всех отраслях промышленности, поскольку речь идет о весьма общих возможностях управления веществом на атомарном уровне, включая неорганические, органические и даже биологические структуры и вещества. При этом само управление новыми производствами может поменять свой характер и превратиться из аналогового в цифровое.

Футуристические и фантастические прогнозы развития нанотеха приносят в сущности большую пользу, поскольку привлекают к новой науке и ее проблемам внимание молодых и самых одаренных исследователей. Ученых всегда привлекали сложные и интересные задачи, а нанотехнология представляет им прекрасный шанс проявить свои способности.

Большинство венчурных капиталистов осознает реальность нанотеха, так что основной проблемой становится правильное вложение капиталов и расчет временных сроков коммерциализации тех или иных разработок. Короче говоря, проблема сейчас состоит в выборе объемов и секторов вложения инвестиций. Учитывая разнообразие возможных приложений нанотеха, существующая ситуация означает для серьезного аналитика и инвестора решение сложнейшей задачи: «прогонку» массы вариантов через интеллектуальный фильтр экспертной и экономической оценки для выделения наиболее перспективных направлений развития рынка. Такая оценка означает непрерывный процесс сбора информации (например, постоянно возникающих бизнес-планов разнообразных производств) и ее последующей экономической, технической и чисто интуитивной оценки. Кроме того, нельзя не упомянуть два блестящих научных достижения последних лет, вызывавшие большой интерес у научной общественности и в коммерческих кругах. Я говорю о расшифровке генома человека и получении визуальных изображений на основе выходных сигналов сканирующего туннельного микроскопа (читатель наверняка видел логотип фирмы IBM, написанный отдельными атомами ксенона на кремниевой поверхности). Такие события, символизирующие прогресс так называемой диджитализации, или оцифровывания (информации) в физике и биологии, служат пропаганде научных достижений и способствуют появлению инновационных проектов.

В самое последнее время число публикаций, посвященных нанотеху, значительно возросло, напоминая о временах появления Интернета. Речь идет не только о популярных статьях, но и о научных работах, количество которых за последнее десятилетие увеличилось примерно в 10 раз. Еще поразительнее выглядит статистика по патентам, выдаваемым в области различных приложений нанотехнологий. Согласно данным Ведомства США по патентам и торговым маркам (USPTM), их число ежегодно возрастает в три раза на протяжении последних семи лет. О стремлении захватить рынки и методы производства с очевидностью и даже какой-то символичностью свидетельствует тот факт, что в упомянутой выше фирме IBM уже сейчас вопросами нанотехнологий занимается больше юристов, чем инженеров!

В связи с последними действиями в рамках Национальной нанотехнологической инициативы федеральное финансирование этих исследований продолжается и возрастает. Например, в 2004 году намеченная сумма 847 миллионов была не только предоставлена (несмотря на общие сокращения в бюджете), но и повышена. Среди статей федеральных расходов на науку нанотехнология занимает второе место (уступая только расходам на освоение космоса). Америка не одинока в своих пристрастиях: хотя расходы США на эти цели в 2003 году составили 1/3 от общемировых, Япония например, затрачивает на эти цели даже большие суммы.

Именно финансирование со стороны федерального правительства позволяет развивать инновационную деятельность в области нанотехнологий. Практически все компании, которым наша фирма оказывает юридические и консалтинговые услуги, относятся к разряду так называемых «раскручиваемых» и занимаются тем, что пытаются внедрить новейшие технологические разработки в промышленное производство. При этом они пользуются результатами исследований, полученных в высших учебных заведениях или государственных лабораториях (то есть используют передаваемую интеллектуальную собственность). Очень часто такие компании нуждаются в специальном оборудовании и дорогостоящих лабораториях для дополнительных исследований, необходимых для «подгонки» результатов к выпуску каких-то конкретных продуктов (нормальный предприниматель, конечно, не держит такое оборудование, согласно поговорке, «в углу гаража»). Ситуация с необходимостью проведения дополнительных исследований является типичной для всех так называемых стартовых (start-up) и инновационных компаний.

В общем плане сейчас есть множество корпоративных инвесторов, готовых вкладывать серьезные деньги в нанотехнологические инновационные проекты, осуществляемые стартовыми компаниями, получившими извне данные НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок) и начальное финансирование. Кроме того, многие крупные инвесторы выражают готовность покупать целиком новые фирмы, связанные с производством перспективных продуктов (например, совсем недавно крупный производитель чипов компания AMD захотела приобрести небольшую венчурную компанию Coatue, специализирующуюся на разработках устройств молекулярной электроники).

Сказанное вовсе не означает, что все инвестиции в этой области будут успешными, так как значительная часть стартовых компаний все-таки прогорает. От фирм-консультантов, подобных нашей, это требует непрерывного совершенствования методов анализа и оценки (образно говоря, мы должны постоянно «прочищать» фильтры, через которые «прогоняем» оцениваемые проекты). Организаторы и предприниматели всегда стараются представить свои планы в наиболее выгодном свете, и только интуиция опытного специалиста помогает выбрать правильные направления развития.

4.4.3. Проблема вертикальной интеграции стандартов и технических условий

Нанотех предлагает обширные инженерные программы, начинающиеся с низшего уровня физической основы нашего мира (с атомов и связанных с ними процессов) и заканчивающиеся реальным бизнесом. В этих условиях естественно возникает вопрос о вертикальной интеграции стандартов производства на стадиях, предшествующих выпуску коммерческого продукта для продажи. Если, например, специалист по молекулярной электронике сумел создать чип, совместимый с уже существующими динамическими оперативными запоминающими устройствами (DRAM), то ситуация выглядит весьма выигрышной. Изделие может быть «состыковано» с остальной аппаратурой, попадает на так называемую «горизонталь» стандартизации, и производитель может не беспокоиться о дальнейшей, «вертикальной» интеграции стандартов. Однако гораздо более вероятной является ситуация, когда созданное устройство (например, трехмерное запоминающее устройство) не совмещается с другим используемым оборудованием, и тогда производитель обязан ввести какой-то промежуточный блок, позволяющий использовать новое устройство в общей системе. Такая подгонка часто требует от инновационной фирмы поиска партнеров по производству, что, естественно, означает дополнительные затраты времени и денег. Внедрение в производство новой трехмерной логической схемы с повышенным числом внутренних связей будет означать не только новый дизайн и новое программное обеспечение, но и удлинение сроков коммерциализации продукта. Большинство инновационных фирм к концу разработок начинают срочно искать партнеров, способных правильно представить новый продукт на уже существующем рынке сбыта. Успех и своевременность выполнения всего проекта зависят не только от технического совершенства, но и от множества других факторов, включая правильно организованную защиту интеллектуальной собственности, удачный подбор партнеров, возможность дальнейших усовершенствований, технических сложностей (наличие требуемого оборудования и т. п.), а также признание достоинств нового товара на возможно более высоком уровне.

Так называемая временная линия развития продукта связана обратной связью с циклами научно-технических разработок. Например, слишком затянутые (по сравнению с кристаллическими аналогами) сроки испытания органических светоизлучающих диодов (LED) могут оказаться неприемлемыми для партнеров и значительно осложнят процесс коммерциализации.

4.4.4. Проблемы взаимодействия

При любых оценках возможностей инновационных проектов в области нанотехнологий следует учитывать, прежде всего, проблемы финансового обеспечения, рыночных запросов и получения прибыли в какие-то разумные сроки, например в течение 5 лет. В нанотехе существует множество разнообразных возможностей, но общая линия поведения и развития должна быть определена четко. Следует ли затягивать исследования (надеясь на получение правительственных грантов в течение 20 лет) или необходимо найти ориентированную на рынок бизнес-структуру, способную привлечь венчурный капитал? Не окажется ли поставленная задача слитком сложной и не потребуется ли для внедрения нового продукта перестраивать целые отрасли промышленности?

В качестве мысленного эксперимента представьте себе, что кто-то предлагает вам очередное нанотехнологическое «чудо», которое можно назвать молекулярной машиной (это может оказаться суперкомпьютером, микроскопической подводной лодкой для плавания по кровеносной системе или машинкой, производящей алмазные стержни). Выбор объекта не является принципиальным. Попробуйте на этих примерах разобраться со сложностью инновационных проектов.

Представьте себя венчурным капиталистом и задумайтесь над некоторыми простыми вопросами. Почему изобретатель предлагает его вам, а не занимается внедрением самостоятельно? Насколько автономными являются эти устройства? Какие источники питания необходимы для их использования? Каким образом будет осуществляться связь и управление при работе с новыми молекулярными машинами?

Именно такие вопросы взаимодействия и взаимосвязанности создаваемых объектов с окружением часто являются основными при оценке возможностей разнообразных инновационных проектов. Например, может оказаться, что для работы выбранной вами конкретной молекулярной машины необходимо наличие уже развитой системы нанотехнологической энергетики и машинной базы. В качестве поучительной аналогии попробуйте представить себе, что вам попал в руки устаревший процессор типа Intel Pentium. Каким образом, собственно говоря, вы можете использовать его на практике? Вспомните, что для подключения его к компьютеру вам необходимо проводом присоединить этот чип к более крупному проводу, который должен быть присоединен к пульту на крупных печатных платах, требующему мощного источника питания. На каждом из последовательных этапов присоединения чипа вы будете сталкиваться с проблемой поиска все более крупных по масштабу вспомогательных и соединительных устройств, которые давно вышли из употребления (отметим, что эти устройства изобретались в

обратном хронологическом порядке). Каждый технический объект требует для своей эксплуатации наличия целой иерархической системы взаимосвязанных устройств, сочетание которых и обеспечивает не только его потенциальную важность, но и саму возможность использования.

4.4.5. Как выглядит масштабная иерархия в молекулярной нанотехнологии?

Описанная выше иерархия взаимодействий представляет собой одну из важнейших проблем в развитии любой техники. Интересно, что нанотехнология предлагает нам одновременно два пути преодоления этого препятствия, в первом из которых иерархия создается в направлении «снизу вверх» (этот подход очевидно связан с биологическими процессами), а второй – в направлении «сверху вниз» (такой подход, естественно, повторяет историю развития полупроводниковой техники). В настоящее время усиленно разрабатываются различные небиологические микро-электро-механические системы (МЭМС), позволяющие создавать крошечные устройства и «загоняющие» исследования в «спираль», или «воронку», миниатюризации, знакомую всем специалистам в области полупроводников. При таком развитии каждый этап уменьшения размеров с неизбежностью влечет следующий, вследствие чего многие эксперты считают, что нанотехнология обречена на повторение истории полупроводниковой техники.

С другой стороны, нельзя не заметить многочисленных успехов, достигнутых на пути «биологического» преобразования вещества. Создание новых лекарств, манипуляции с биологическими тканями и генная инженерия наглядно демонстрируют огромный потенциал и возможности построения иерархии отношений в направлении «снизу вверх». Из последних достижений, полученных методикой «снизу вверх», можно особо выделить генетическую модификацию микробов, осуществляемую либо направленным генетическим сплайсингом, либо так называемой искусственной эволюцией.

4.4.5.1. Построение структур методом «сверху вниз». «Путь чипа»

О создании структур методом «сверху вниз» говорил в своей известной речи (лекция 1959 года в Калифорнийском технологическом институте, с которой многие специалисты связывают зарождение нанонауки вообще) знаменитый физик Ричард Фейнман, предложивший задуматься о последовательном процессе миниатюризации инструментов и соответственно изделий вплоть до наномасштабов. Кстати, именно по этому пути уже пошли некоторые связанные с полупроводниковой техникой компании, которые начали с создания упомянутых выше МЭМС и постепенно перешли к разработкам наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Проектирование МЭМС уже привело к появлению заметных коммерческих продуктов, среди которых стоит отметить газонаполненные нанодатчики (используемые в автомобильной промышленности), насадки или сопла в современных струйных принтерах, некоторые новейшие медицинские устройства, фотонные переключатели в коммуникационных системах и мобильных телефонах. По прогнозамм In-StatJMDR, коммерческая прибыль от использования МЭМС должна возрасти от 4,7 миллиарда долларов (2003 год) до 8,3 миллиарда в 2007 году. Прогресс в этой области сейчас сдерживается главным образом возможностями существующей полупроводниковой промышленности, а также длительностью и сложностью монтажа новых производственных линий.

Характеристики очень многих нанотехнологических изделий, уже широко используемых в различных отраслях (энергетика, полупроводниковая техника, молекулярная электроника), могут быть значительно улучшены в близком будущем. Дело в том, что сейчас происходит интенсивное развитие новых технологических приемов и оборудования, специально создаваемого для нужд нанотехнологии. Из наиболее важных направлений развития в этой области необходимо выделить три.

• Нанолитография. В Техасском университете (город Остин) разрабатывается уникальный метод наноимпринтной литографии, который в настоящее время внедряется в серийное производство фирмой Molecular Imprint. Новая технология основана на использовании отвердеваемых под действием света жидких сред и кварцевых пластин, подвергаемых травлению, что позволяют существенно снизить стоимость изделий, получаемых нанолитографией. Эта литографическая технология недавно была специально введена в известный справочник ITRS Roadmap «Дорожная карта ITRS», где отмечается, что она имеет особую ценность в нанотехнологии, производстве МЭМС, микрогидродинамике, оптике, а также молекулярной электронике.

• Оптические ловушки. Фирма Arryx разработала прорывную технологию в обработке наноматериалов, в которой используются известные в лазерной технике оптические ловушки. Новая технология основана на использовании одного лазерного источника, излучение которого проходит через адаптивную голограмму. Она позволяет генерировать одним лазером сотни так называемых «лазерных пинцетов», каждый из которых может иметь собственную систему управления, в результате чего установка дает возможность манипуляции молекулярными объектами в трехмерном пространстве (включая перемещение, вращение, разрезание и установку в заданном месте). Не стоит и говорить о широчайших возможностях такой технологии: от работы с клетками и «монтажа» структур из нанотрубок до непрерывной обработки материалов, напоминающей механическую. Новая методика позволяет даже управлять движением органелл внутри живой клетки без повреждения последней, включая введение ДНК в ядро клетки.

• Метрология. В настоящее время атомные зондовые микроскопы производства фирмы IMAGO LEAP, позволяющие получать трехмерные изображения химических соединений и атомарную структуру объектов, уже применяются в производстве чипов и дисководов. В отличие от традиционных микроскопов, дающих просто изображение микроскопического объекта, микроскопы IMAGO (которые, конечно, следует называть наноскопами) позволяют анализировать структуру, так как их «сигналы» соответствуют положению атомов в данный момент времени. Они позволяют «сжимать» наблюдаемую картину и в оцифрованном виде получать изображение изучаемого объекта со скоростью около миллиона атомов в минуту. Такой подход открывает совершенно фантастические перспективы в получении визуальных изображений и исследовании атомарных структур вообще.

Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля. Обобщая сказанное, основные закономерности развития нанотехнологии «сверху вниз» можно свести к двум следующим основополагающим положениям:

• Подход «сверху вниз» создает множество преимуществ и удобств из-за своего очевидного родства (или преемственности) с полупроводниковой техникой и промышленностью. Прогресс в этом случае часто выступает в виде преодоления недостатков планарной технологии, что (в сочетании с новыми возможностями) значительно облегчает коммерциализацию и проблемы рынка, поскольку позволяет пользоваться установившимися стандартами и условиями.

• Иерархия масштабов и взаимодействий при этом, естественно, определяется и устанавливается в направлении «сверху вниз».

4.4.5.2. Биологический подход, или развитие технологии «снизу вверх»

В отличие от описанного выше развития технологии «сверху вниз», архетип биологического подхода «снизу вверх» характеризуется следующим набором особенностей:

• Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.

• Основные ограничения взаимодействий обусловлены контактом с неорганическим окружением.

• Возможности теоретического исследования процессов ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.

• Все рассматриваемые в технологиях «снизу вверх» процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы цифровым генетическим кодом.

Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого организма, происходят за счет иерархически выстроенных процессов передачи информации. Биологам уже известно, что внутри клеток посредством рибосом постоянно осуществляется пересылка «оцифрованных инструкций» (в виде матричной или информационной РНК, мРНК), в соответствии с которыми и происходит формирование белков из аминокислот. Эти процессы имеют очень сложный характер и осуществляются через образование последовательности так называемых конкатенатов (комплексов из топологически связанных замкнутых молекул ДНК). Сама рибосома представляет собой поразительно эффективный и надежный образец «молекулярной машины», о которой так часто говорят в нанотехнологии. Эта структура с характерными размерами около 20 нм содержит всего 99 000 атомов, и с нее начинается процесс репликации и усложнения биологических систем. В соответствии с механизмом роста происходит непрерывное считывание генетического кода, заложенного в ДНК, который по очень многим каналам обратной связи вызывает последовательное укрупнение масштабов роста, вплоть до образования макроскопических живых организмов. В настоящее время биологи, образно говоря, поступают подобно компьютерным хакерам, взламывающим коды чужих систем и использующим содержащуюся в них информацию.

Можем ли мы использовать столь сложные процессы в молекулярной электронике и нанотехнологии вообще? В чем состоит их привлекательность для ученых и технологов? Прежде всего, использование биологических процессов дает нам возможность быстро находить новые технические решения, пользуясь уже созданными природой рецептами и компонентами. Биология предоставляет нам огромный выбор самых разнообразных «заготовок» в виде молекул и субсистем, которые уже сейчас используются для совершенно иных целей. Ниже приводятся удачные примеры инженернотехнического применения биологических систем.

Например, специалистам НАСА из Центра имени Эймса удалось выделить самоорганизующиеся белки из так называемых термофильных бактерий и, подвергнув их генетической модификации, создать на их основе абсолютно новое техническое устройство. Белки были осаждены на электродах таким образом, что из них образовалась регулярная решетка, или сетка (с промежутками в 17 нм), которая оказалась очень удобной средой для магнитной записи информации в дисководах или для производства солнечных батарей.

Сотрудники Массачусетского технологического института методом искусственной, ускоренной эволюции смогли не только быстро вывести новые штаммы бактериофага М13, но и инфицировать этими штаммами бактерии, в результате чего последние неожиданно оказались способны перерабатывать полупроводниковые материалы, изменяя их структуру с молекулярной точностью.

Крейг Вентер и Гамильтон Смит из Института альтернативной биологической энергетики (Institute for Biological Energy Alternatives, IBEA) в настоящее время осуществляют интересный проект под названием «минимальный геном» (Minimal Genome Project). Им удалось выделить из мочеполового тракта человек микроорганизм Mycoplasma genitalium и удалить из него 200 «бесполезных» генов, после чего в их распоряжении оказался как бы простейший организм, способный к саморепликации (заинтересовавшийся читатель может более подробно ознакомиться с этой работой по статье «Неестественный отбор» в газете «Время новостей» зот 03.07.2007. Прим. перев. ). Сейчас исследователи пытаются использовать созданный искусственный геном в технических целях, придавая ему новые функциональные способности, позволяющие, например, получать водород при фотолизе воды под воздействием солнечного света.

Основные трудности в разработках, связанных с процессами «снизу вверх», обусловлены тем, что мы плохо понимаем закономерности явлений в этих микроскопических, но очень сложных системах, и нас может утешать лишь наблюдаемое в последние годы стремительное накопление экспериментальных и теоретических данных о них. Бурное развитие нанонауки привело к тому, что за последнее десятилетие в некоторых разделах генетики и медицины было получено больше сведений, чем за всю предыдущую историю науки. Кстати, упомянутый выше проект изучения микробов с минимальным геномом имеет особую ценность для биологии, поскольку с его помощью ученые надеются понять принципиально важный для биологии в целом механизм функционирования целостной протеомы и ее метаболизма. Дело в том, что действие генетического кода человека является исключительно сложным и связано с очень запутанной системой обратных связей, вследствие чего ученые надеются разгадать некоторые его тайны, пользуясь такими простейшими организмами, построенными по принципу «один ген – один белок».

4.4.5.3. Поучительный пример – гибридная молекулярная электроника

В ближайшие годы сразу несколько фирм приступят к реализации проектов, нацеленных на объединение достоинств обоих описанных выше подходов. Речь идет о попытках практически организовать самосборку органических молекул по принципу «снизу вверх» на изготовленных методами «сверху вниз» кристаллических подложках. Заранее подготовив некоторые участки подложек для самосборки, технологи надеются получить коммерческую продукцию, большим преимуществом которой будет наличие уже сформированного рынка.