Проблемы нанотехнологий

Для развития нанотехнологий и доведения их до промышленного использования и доведения до состояния наноиндустрии необходимо создание полноценной теории нанотехнологий и вообще - необходимо создание новой отрасли знания. И начать следует с постановки задачи, ведь правильная постановка задачи - уже часть ее решения.

К нано объектам принято относить объекты, размеры которых менее 100 нм. Классическим примером применения нанотехнологий является производство микросхем для компьютеров. По размерам элементов микросхем судят о «высоте» технологий. На сегодня в мировой практике достигнуты минимальные размеры дорожки по ширине в 22 нм и 1,2 нм по толщине дорожки. Правда, отечественные технологи таких достижений не имеют.

Необходимо отметить, что приставка нано в наименовании технологий не совсем уместна. Технология по определению это совокупность операций, приемов, процессов для достижения некоторой цели. Совокупность операций не может быть ни нано, ни микро, ни высокой, ни низкой. Все эти приставки к термину технология придуманы людьми, не совсем понимающими основной смысл понятия «технология» (технология = способ изготовления вещи).

Однако так уж сложилось, что в современной науке больше заправляют политики, а не технологи, вот они и приняли, что нанотехнологии это класс технологий обеспечивающих осуществление операций с объектами, имеющими нанометровые размеры (нм = 10-9 метра). Восстановить исходный смысл понятия технология в виду его повсеместного искажения, видимо, уже невозможно, тем не менее, для теории технологий необходимо пользоваться корректным пониманием этого понятия.

Анализ конкретных осуществленных и отработанных в промышленных масштабах проектов работы с нанообъектами показывает, что в настоящее время сложилась определенная традиция доступа к нано объектам, характеризующаяся тем, что проникнуть в нано мир пытаются макроустановкой. Способы проникновения могут быть различными, например, для компьютерных микросхем это напыление дорожек, транзисторов и прочих компонентов, в других случаях могут использоваться другие процессы, но принцип остается общим: в качестве инструмента – используется макроустановка, а в качестве объекта обработки – объект, имеющий нано размеры. Вот это обстоятельство и порождает большинство современных проблем нано технологий. Чем глубже исследователи проникают в нано мир, тем острее становится диспропорция размеров «станка» и размеров обрабатываемой «детали», тем большие требования выдвигаются к точностным характеристикам макроустановки. Естественно, это достойная задача для науки и техники и решать ее необходимо, однако такой подход является тупиковым. Ведь даже самые высокие мировые достижения доступа в нано мир с помощью макро установки внутри этих самых (22 на 1,2) нм имеют однородный материал. Разнородность структуры, столь необходимая для информационных технологий, достигается различием характеристик макроустановки, поэтому уровень один атом остается недостижимой задачей. Проникновение в микромир с помощью макроустановки все равно не достигает нужного результата, и что самое печальное, никогда не достигнет. Для решения задачи оперирования отдельными атомами требуется концептуально иной подход, основанный на создании «орудий производства», имеющих размеры и принципы действия, сопоставимые с обрабатываемыми объектами.

Нужно отметить, что такой подход давно реализован и многократно испытан в живой природе. Каждая клетка живого организма содержит генетическую информацию, в составе которой имеется технология оперирования с объектами, которые имеют не только нано размеры, но и существенно меньшие. В биологических процессах вообще нет никаких границ, разделяющих объекты по их размерам. В живых клетках могут происходить управляемые операции как с ионами водорода (то есть с протонами) размером порядка 10-15 м, так и с большими молекулами белков, а также с объектами в виде клеток, тканей и органов, имеющих макро размеры. По-видимому, соразмерность обрабатываемых объектов и орудий оперирования объектами снимает саму проблему размеров объектов. В этом смысле проблематика «нано» технологий выглядит чисто антропологической, а сама проблема – нечетко сформулированной. В живой природе технологии существуют, но никакого их деления по размерам не существует.

Технология оперирования с любыми объектами в живых клетках всегда под рукой, в ядре клетки, она извлекается из генетической программы по мере необходимости. На основе генетической информации строятся белки, которые по своему функциональному статусу являются как раз «станками» или устройствами, выполняющими определенную операцию или действие.

В организме человека насчитывается более пяти миллионов типов белков и практически каждый тип предназначен для выполнения своей специфической функции. Например, гемоглобин выполняет функцию грузовичка, который в легких загружает молекулу кислорода, в составе крови транспортирует ее к клетке, там освобождает молекулу кислорода (разгружается), забирает молекулу углекислого газа и транспортирует ее обратно в легкие. Подобным образом работают и все остальные белки, одни транспортируют молекулы, другие разделяют их на части, третьи собирают новые молекулы, четвертые вывозят отходы и т.д.

В сущности, технологические операции нано мира по назначению и способу осуществления ничем не отличаются от своих аналогов макромира. При этом следует отметить, что каждая технология специфична, но вовсе не по критерию размеров изделия, а по типу изделия, по этапу его создания, по функциональному назначению и т.д. Критерии деления технологий совсем иные. Это наглядно видно в макро технологиях - существует специфика каждой технологической операции. Технология строительства автозавода отличается от технологии сборки автомобиля, от технологии функционирования автомобиля, от технологии езды на нем, от технологии автоперевозок. Все технологии отличаются, хотя все указанные технологии связаны с автомобилем. В этом смысле вообще некорректно говорить о технологиях в отрыве от изготавливаемого изделия, технологий «вообще» - просто не существует, технология это способ изготовления вещи, поэтому в отрыве от самой изготавливаемой вещи говорить о технологии бессмысленно, технология это совокупность конкретных операций по осуществлению конкретной деятельности.

Исходя из сказанного, можно констатировать, что существует большое различие между современным (политизированным) пониманием самой концепции «развития нанотехнологий» и реальным состоянием дел в области создания технологий оперирования нано объектами. Даже просто сам факт этого различия говорит об отсутствии достойной теории в области нано мира. Этот мир, если уж говорить о размерах объектов, располагается между квантовыми объектами и макрообъектами.

У меня нет оснований сомневаться в полезности осуществления работ по исследованию и практическому созданию объектов нано размеров. Однако в литературе практически не видно теоретических работ в этой сфере. Можно сказать еще резче, что теории нанотехнологий пока просто не существует.

Наука химия оперирует атомами – т.е. объектами размером 0,1 нм. Это входит в диапазон нанотехнологий. Но химия, в отличие от нанотехнологий, имеет принципиальное достоинство в виде наличия закона Менделеева, объясняющего базовые свойства атомов, на котором выстраиваются все остальные закономерности химических реакций и свойств молекул. А нано объекты, которыми пытаются оперировать нанотехнологи, не имеют своего базового закона, не имеют своей теории, поэтому как слепые пытаются что-то нащупать, что-то построить наугад.

К сожалению, химики, даже имея базовые закономерности, мало чем могут помочь нанотехнологам - химики тоже не умеют работать с индивидуальными атомами, а технология предполагает работу именно с отдельными объектами. Это суть технологий. Для создания технологии нужно научиться управлять отдельными молекулами, точнее, заставить одни молекулы воздействовать на другие определенным образом. Более того, нужно заставить молекулы делать не одно воздействие, а заставить их выполнять серию конкретных операций, приводящих к сборке нужного нано изделия или осуществления другой целостной задачи.

К сожалению, физики тоже не могут помочь нанотехнологам.

Во-первых, технологии это не их предмет исследования. Технологии это раздел теории систем, которую саму нужно еще создавать. А, во-вторых, и это ключевой дефект современной физики, - по версии современной квантовой физики частицы имеют вероятностную природу, то есть строительный материал, из которого надлежит строить нано объекты, не пригоден для строительства чего-либо. При этом вероятностная интерпретация частиц является ложной, но она яростно защищается физиками.

Вероятностная интерпретация частиц порождает концептуальную несовместимость основ и принципов проектирования изделий с характеристиками материала, из которого необходимо создавать эти изделия. С частицами, имеющими вероятностное описание, никаких технологий не получится - ни нано, ни микро, ни высоких, ни низких. И это самое печальное, - физики не только не помогают нанотехнологам, они усугубляют их трудности, вводя нанотехнологов в заблуждение относительно характеристик, строения и свойств частиц.

 

Продолжение следует.