Техника - молодёжи 2009-01, страница 12

Инструменты науки

2009 №01 ТМ

Биосовместимые материалы и искусственные ткани и органы.

Формально исследования в этой области не требуют именно атомарной точности, однако понимание и моделирование процессов, происходящих на стыке живой и искусственной материи на молекулярном уровне, позволит существенно ускорить разработку клинически эффективных подходов. Кроме того, у ПАТ-технологий, возможно, появится потенциал создания систем, существенно превосходящих по своим характеристикам биологические подсистемы здорового человека. Например, уже проведено теоретическое исследование «респироцитов» -микромерных AT систем, предназначенных для решения той же задачи транспортировки кислорода, что и эритроциты, но с эффективностью переноса на два порядка выше.

Интеграция различных систем человека с электронными (информационными) сетями. Например, встроенные чипы-анализаторы, посылающие через мобильный телефон на дистанционный пульт охраны здоровья информацию об уровне глюкозы в крови - это уже реализовано в некоторых странах в рамках мониторинга состояния здоровья престарелых граждан.

Есть примеры успешной интеграции типа «кремниевый чип - нервная клетка», однако в реализации комплексного подхода связи всей нервной системы с электроникой пока ещё остается много трудностей. В основном они связаны с недостаточным пониманием принципов организации информационной системы живого организма. Поскольку эта область сегодня одна из самых динамичных, можно ожидать серьёзных достижений и на этом пути.

Конечно, НТ будут находить применение во многих биологических и медицинских приложениях, но те из них, которые упомянуты выше, можно выделить как наиболее очевидные и значимые.

Технологии атомарной точности

Краткий обзор перспектив использования AT-продукции подводит нас к пониманию важности оборудования, которое позволяет разрабатывать, производить и тестировать такую продукцию, т.е. «инструментов нанотехнологий».

Прежде всего хочется, не вдаваясь в подробности, выделить главное в современном этапе развития технологий атомарной точности.

«Сверху вниз»

Есть два принципиальных подхода в ПАТ. Один предполагает, что у нас есть прибор, который позволяет взять один атом «правильного» вещества, перенести его в «правильное» место и «правильно» вставить его в конструкцию из других атомов, которые уже находятся в этом месте. Это называется сборкой объектов ПАТ «сверху вниз». Главное преимущество такого подхода в его контролируемости: вся структура наноразмерного устройства спланирована заранее, положение и свойства каждого атома известны. Недостаток производства «сверху вниз» - его высокая стоимость. Если каждое наноустройство необходимо «вручную» собирать по атому, то таких устройств нельзя сделать много.

С точки зрения оборудования, одной из главных трудностей для технологии сборки «сверху вниз» может стать проблема термодрейфов. Разные части прибора по-разному расширяются при нагревании. Даже тот незначительный нагрев, который неизбежно происходит при работе сканирующего зондового микроскопа (а именно СЗМы наиболее часто использовались в экспериментах по манипулированию атомами), приводит к дрейфу - неконтролируемому смещению зонда относительно подложки на десятки нанометров в час. Если всю работу можно уместить в несколько минут, такие дрейфы не представляют проблемы; однако, если долго работать с одним нанообъектом, существующий уровень дрейфов будет непреодолимой преградой.

«Заточка» зонда для атомно-силового микроскопа с помощью ФИП. Изображение типичного зонда до «заточки» и после. Получено в лаборатории проф. В.К. Иеволина

Есть несколько путей решения этой проблемы. Например, в НТ-МДТ разработан СЗМ с уровнем дрейфа <5 нм/ч («Итегра Терма»). Кроме конструкторских решений, минимизирующих влияние дрейфа на систему зонд-образец, широко применяются датчики положения зонда, алгоритмы компенсации дрейфов программными средствами.

Самосборка

Второй подход к ПАТ, диаметрально противоположный сборке «сверху вниз», - это так называемая сборка «снизу вверх». Его суть в том, что при определённых условиях атомы сами выстраиваются в упорядоченную структуру. Поэтому такой путь получения наноструктур ещё называют самосборкой. Обеспечив «правильные» условия и наладив поступление достаточного количества нужных атомов, можно «выращивать» AT структуры в практически неограниченных количествах. Таким способом можно выстраивать огромное количество атомов, и это будет обходиться относительно недорого. Например, с помощью AT самосборки можно вырастить бездефектный кристалл размером в несколько миллиметров. Для того чтобы собрать такую структуру «сверху вниз», понадобились бы тысячи лет при существующем уровне производительности.

К недостаткам подхода «снизу вверх» следует отнести невозможность контролировать судьбу отдельных атомов. Бездефектность кристалла в этом случае означает, что вероятность появления дефекта весьма мала, однако невозможно предсказать, где именно возникнет этот маловероятный дефект. Кроме того, самосборка весьма ограничивает конструкторов в возможностях создания атомарно-точных гетероструктур.

С точки зрения оборудования необходимо отметить два момента.

Контроль внешних условий. Все AT технологии предъявляют повышенные требования к чистоте. В большинстве случаев для получения надёжных результатов все манипуляции необходимо проводить в условиях сверхвысокого вакуума, поэтому большие надежды связываются с созданием орбитальных производственных комплексов. Скорее всего, затраты по доставке, монтажу и обслуживанию космических фабрик будут с лихвой компенсированы возможностью использовать «бесплатный» вакуум.

Атомарно точная локализация процесса самосборки. Сегодня уже существует множество способов знста, вить атомы выстраиваться не везде, но лишь в определённом месте либо направлении. Например, осаждение из газовой фазы часто происходит преимущественно вокруг неких инициирующих центров. Расположив такие центры на подложке заранее заданным образом, можно ограничить рост образующихся структур именно этим предустановленным шаблоном.

10