Геннадий Нечаев

Наступление наноэры

В последние годы область практического применения нанотехнологий стремительно расширяется. Так, ученые из Массачусетского технологического института (MIT) полагают, что батареи на основе нанотрубок скоро заменят традиционные литий-ионные (Li - ION) и никель-кадмиевые (Ni - Cd) аккумуляторы. Но, в отличие от современных аккумуляторов для мобильных телефонов и ноутбуков, батареи на основе нанотрубок будут заряжаться за несколько минут и количество циклов "заряд - разряд" будет практически не ограничено.

С новым материалом многие связывают будущее электроники: не исключено, что на основе углеродных нанотранзисторов будут работать процессоры, которые придут на смену кремниевым, а в NASA намерены использовать сверхпрочные волокна в качестве материала троса, по которому сможет перемещаться "космический лифт".

Конденсатор для автомобиля

Профессор электроники Джоел Шиндалл приводит пример с гибридными автомобилями, работающими от аккумуляторов и бензинового двигателя. Если бы бензиновый ДВС можно было полностью заменить электродвигателем, то современных аккумуляторных батарей не хватит для поездки на 200-300 км. Но если использовать быстрозаряжающуюся батарею с включением нанотрубок, машины можно будет полностью перевести на электрическую энергию.

Устройство, которое создали ученые из лаборатории электромагнетизма и электронных систем MIT, представляет собой не простой аккумулятор, а конденсатор, сообщает SmallTimes. Как известно, конденсаторы могут запасать гораздо больше электроэнергии, чем аккумуляторы, и заряжаются за очень короткий промежуток времени, однако так же быстро отдают электроэнергию.

Как недавно выяснили ученые из MIT, электроды, покрытые слоем нанотрубок, позволяют конденсатору разряжаться не мгновенно, а за несколько часов, что позволяет подобному конденсатору работать в автомобилях и мобильных устройствах. Этот эффект достигнут благодаря увеличению площади электродов батареи-конденсатора с помощью нанотрубок.

Полученные экспериментальные образцы суперконденсаторов (так назвали этот тип устройств) уверенно свидетельствуют о том, что количество циклов "разряд - заряд" может достигать нескольких тысяч, что, естественно, несопоставимо с традиционными аккумуляторами (до 1000 циклов у лучших образцов, при времени зарядки, измеряемом часами).

Однако, по мнению профессора Шиндалла, несмотря на преимущества суперконденсаторов на основе нанотрубок, они не смогут за несколько недель изменить традиционный рынок устройств хранения энергии. Слишком много средств инвестировано крупными компаниями в усовершенствование обычных Li-ION-батарей. Скорее всего, переход на нанотрубочные элементы будет постепенным – для этого потребуются год или два.

Комбинируя атомы

Как полагают ученые, нанотехнологии (напомним, что концепция нанотехнологий предусматривает применение атомов и молекул различных веществ в качестве проводников или даже законченных устройств) – это очередной, революционный, этап в развитии науки и техники, сопоставимый по значимости с введением в практику полупроводниковых устройств, изобретенных в конце 40-х – начале 50-х годов прошлого века.

Так что же такое фуллерены и нанотрубки? Углеродные нанотрубки - это открытая в 90-е годы новая форма существования углерода в виде свернутых в трубочку "графитовых сеток". Так как диаметр таких трубочек составляет считанные нанометры (нанометр – одна миллиардная часть метра), то "нанометрового масштаба трубки" и стали коротко называть нанотрубками.

Нанотрубки настолько малы, что микробы могли бы воспользоваться ими как соломинками для коктейля, если, конечно, нуждались бы в соломинках. Или в коктейле. В самом деле, человек ростом около двух метров пользуется соломинками диаметром несколько миллиметров. Соответственно, соломинка диаметром несколько нанометров пригодилась бы существу "ростом" около двух микрон, то есть как раз микробу. Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году одиночкой, научным сотрудником лаборатории NEC в Японии Сумио Идзимой.

Идзима исследовал продукты, образующиеся при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия. Работа по тому времени рутинная. Угольные электроды в инертной атмосфере выделяют в процессе дугового разряда огромное количество сажи. Ради этой сажи, содержащей молекулы углеродных сфер - фуллеренов, и проводилось множество экспериментов такого рода. Идзима, однако, заинтересовался "бесполезным" отходом реакции - неприглядного вида серым обрубком, вырастающем на катоде. Обрубок этот, как оказалось, подобно карандашу, содержал угольно-черную сердцевину, электронная микроскопия которой показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков микрометров – это и были первые наблюдавшиеся нанотрубки.

Интересно, что теоретически нанотрубки были предсказаны всего за несколько месяцев до их реального синтеза, причем соответствующие теоретические статьи вышли из печати даже позже, чем статья Идзимы. Предсказание было сделано одновременно американцем Дж. Минтимиром и русским ученым Леонидом Чернозатонским.

Немедленно после открытия Идзимы последовал взрыв интереса физиков и химиков по всему миру, оказалось, что многие научные центры, например, лаборатория нобелевского лауреата по химии Р. Смолли (премия 1996 года за открытие фуллеренов C60), уже стояли на пороге получения тех же результатов и сумели поэтому удивить необычайно быстрым прогрессом в синтезе и измерении свойств все новых видов нанотрубок.

Процессор из триллиона транзисторов

Так чем же интересны эти структуры, в большом количестве представляющие собой похожий на сажу порошок черного цвета? Оказывается, узор однослойной нанотрубки определяет ее электронные свойства: нанотрубки с разными узорами могут быть металлами, полуметаллами и полупроводниками.

Например, все многослойные нанотрубки – полупроводники. Это позволяет крупнейшим компаниям – производителям электронных компонентов делать заявления о скором наступлении "посткремниевой эры" в радиоэлектронике. Переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на нанотрубки может совершиться в ближайшие 10-15 лет.

Ведущие мировые производители процессоров и микросхем впервые заговорили о нанотехнологиях применительно к своей продукции в конце минувшего года. Некоторые разработчики начинают представлять свои официальные планы будущих продуктов, в которых уже значатся наноразработки.

В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение International Technology Roadmap for Semiconductors от имени Международного комитета производителей. В сообщении говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. Производители из Японии, Европы, Кореи, США и Тайваня планируют в ближайшее время представить объединенный план перехода на новую технологию.

В обычных условиях на перестроение всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого количества времени. Спешка в переходе на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя и создавать что-то принципиально новое, более инновационное, на старой основе невозможно.

А человечество с каждым днем производит все больше информации, и нам необходим рост вычислительных мощностей, примерно так, как это предусмотрено законом Мура. На сегодняшний день мировой лидер в производстве чипов, компания Intel, планирует представить 65-нанометровую технологию, которая позволит изготавливать самые маленькие в мире транзисторы, однако даже она еще очень далека от подлинных нанотехнологий.

Сегодняшние процессоры уже имеют "на борту" более миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия - создать процессор, имеющий более 1 триллиона транзисторов. Соотношение производительности такого процессора к аналогичному показателю Pentium 4 будет примерно аналогично производительности "пня" по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

Нанотрубки в вашем ПК

Так, фирма Fujitsu уже предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров на основе нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков (винчестеров), компания Seagate запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи использования нанотрубок в качестве смазывающего слоя.

Дело в том, что плотность записи можно повысить и путем сокращения зазора между головками чтения - записи и самой магнитной пластины. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитными пластинами, разделив их тончайшим слоем смазки на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать ту часть пластины, с которой должна работать головка - это делается для повышения точности ориентации магнитных частиц.

Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и дешевые накопители информации емкостью в сотни и тысячи терабайт. Американская компания Nantero презентовала буквально месяц назад новый тип памяти для компьютера, в котором используются нанотехнологии. Эту разновидность памяти компания назвала NRAM – Nanotube-based/Nonvolatile RAM, что означает "память с произвольным доступом, базирующаяся на нанотрубках, не требующая постоянного питания".

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению с традиционной флеш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, производителем микросхем и полупроводниковых устройств. Ее представитель отметил, что первые промышленные образцы NRAM должны появиться уже в конце этого года.