МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: ЧАСТЬ И ЦЕЛОЕ
Сегодня в материаловедении назревает переворот, предпосылками которого стало бурное развитие физики, химии и биологии во второй половине XX в.
Напомним: после «металлургического бума» 30—40-х годов, прорыва в создании полупроводников (50—60-е годы), по сути обеспечивших компьютерную революцию, специалисты подступили к биоорганике и на-нотехнологиям. Затем в материаловедении стали применять синхротроны. Их излучение — отличный инструмент дня создания материалов ближайшего будущего, на что правительства многих стран выделяют десятки миллиардов долларов. Точку зрения материаловеда на научно-технический прогресс высказал директор Института кристаллографии им. A.B. Шубникова (ИКАН), член-корреспондент РАН М.В. Ковальчук в журнале «Эксперт».
По его мнению, мощным толчком для научного прорыва в этой сфере стала радиосвязь и радиология. Еще в 30—40-е годы XX в. выдающийся советский физик и кристаллограф академик A.B. Шубников изучал пьезоэффект в кристаллах. Внешне это весьма просто: сдавили кристалл вдоль одной оси — и на нем возникло электричество. Или, наоборот, приложили к нему электрическое поле, и он деформируется. Эти абстрактные результаты опытов вылились в практические: оказалось, на пьезоэффекте можно выстроить всю радиосвязь и радиолокацию.
Когда A.B. Шубников обнародовал данные своих работ, советские
военные высоко оценили их и начали создавать инфраструктуру для развития этого направления науки. Тогда и был открыт ИКАН. Почти сразу в нем появилась специализированная прикладная лаборатория, где изделия из кристаллов стали применять в радиосвязи. Одновременно в институте изучали процессы зарождения кристаллов, их структуру и свойства, пытались вырастить искусственный пьезокрис-талл вместо того, чтобы искать его в природе.
Кристаллография, подчеркнул М.В. Ковальчук, вообще родом из чистой минералогии и геологии. Сначала кристалл описывали простыми методами: смотрели на свет и выясняли, прозрачный он или нет, мерили углы между гранями, даже пробовали на вкус. Затем ученые приступили к химическим исследованиям, дабы понять, из каких веществ состоит кристалл и как эти вещества в нем соединяются. Так кристаллография объединилась с химией.
Для изучения же физических свойств кристаллов нужно было увидеть их структуру с атомным разрешением. Дальнейший поиск, в первую очередь применение рентге-ноструктурного анализа, превратили кристаллографию в самостоятельную область физики.
Сегодня она уже активно вторгается в биологию. Первые шаги были сделаны в 60—70-х годах XX в., когда открыли двойную спираль ДНК, структуру многих белков, а физика проникла в молекулярную биологию посредством рентгеноструктур-
ного анализа. В итоге специалисты получили возможность наблюдать, как плавное развитие биоорганического материаловедения перешло в стадию взрывного роста.
А сейчас ИКАН имеет к биотехнологии прямое отношение. Во-первых, в нем уже несколько десятилетий изучают атомную структуру белков и нуклеиновых кислот, создали отечественную школу рентгено-структурного анализа биологических молекул. Во-вторых, специалисты научились определенным образом соединять атомы и молекулы и получать набор искусственно синтезированных органических и неорганических веществ, скажем, различных кристаллов, полимеров и даже белковые молекулы. А расшифровка их атомно-молекулярного строения заложила основу современных технологий.
Полупроводниковое материаловедение за 50 лет развития пришло к двум основным методическим принципам. Во-первых, к применению молекулярно-лучевой эпитак-сии*; с ее помощью можно слой за слоем, чередуя источник определенного сорта ионов или атомов, строить любую структуру (например, сверхрешетку). Во-вторых, к использованию квантовых точек, образующихся в кристаллах (в основе этого лежит принцип самоорганизации, на котором зиждется живая
* Эпитаксия — ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого (подложки) при различных условиях сопряжения их кристаллических решеток (прим. ред.).
ггтттт
ТГГГТ1
к
Директор Института кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН М.В. Ковальчук.
техно-о-пер-ятиле-)убел-одали ггено-гичес-1алис-обра-улы и ■инте-:орга-злич-даже эовка )еняя i тех-
1ало-
ДШТО
жим гене-пак-)й за лен-тро-мер, ис-об--юве иза-шая
рост эсти ны\
:кж
природа). И когда ученые научились «играть» с отдельными атомами и молекулами, т.е. работать на нано-метрическом уровне и с нанотехяо-логиями, они стали конструировать искусственные материалы: полупроводниковые структуры, органические молекулы-полимеры (тот же синтетический каучук и многое другое). И с белками возможны различные вариации.
Далее VI.В. Ковальчук утверждает: многообразие и возможности конструирования в органике на порядок выше, чем в неорганике, а путем самоорганизации можно создавать любые органические или гибридные структуры. На основе наноисследо-ваний и наноразмеров происходит уникальное методологическое сближение наук об органической и неорганической природе. Но чтобы вплотную заниматься нанотехноло-П1ями, нужен серьезный исследовательский потенциал, в котором чуть ли не первую роль играет инструментарий. И как раз в этом плане в России есть большой задел. Речь идет, прежде всего, об электронной микроскопии с атомарным разрешением, что дает исследователю видение прямой решетки — фактически он может наблюдать ряды атомов, дефекты в них и т.д. Во-вторых, это атомно-силовая, или туннельная, микроскопия. Она позволяет рассматривать атомарный рельеф и структуру контактным или бескон-
тактным методом. Но, что очень важно, одновременно можно манипулировать атомами, передвигая их по поверхности, т.е. делать некую нанолитографию.
Кстати, для нанодиагностики можно эффективно использовать ускоритель электронов — синхротрон. Экспериментаторы разгоняют пучок частицдо огромных скоростей, которые попадают в мишень, и она «разваливается». Это регистрирует детектор, а специалисты определяют, какие частицы рождаются. Такова в упрощенном виде модель ядерно-фи-зического эксперимента на базе ускорителя. Но если надо разогнать частицы еще больше, новые затраты энергии к соответствующему увеличению скорости не приводят — виной тому паразитное, «тормозное», излучение, обладающее уникальными свойствами. Во-первых, у него непрерывный спектр: инфракрасный, видимый свет, дальше глубокий вакуумный ультрафиолет, ультрамягкий рентген, мягкий рентген, жесткий рентген и гамма-излучение, т.е. все, что используется для диагностики. По-вторых, яркость. К примеру, рентгеновский спектр синхротрон-ного излучения на восемь-десять порядков ярче, чем излучение существующих лабораторных рентгеновских трубок. А на синхротронах третье по-четвертого поколений яркость уже больше на шестнадцать-девят-наццать порядков. Сегодня есть про-
екты, I ае разница будет более чем на двадцать порядков. К тому же у такого излучения высокая степень естественной коллимации —. 1учевой пучок не рассеивается на протяжении десятков километров даже при прохождении через атмосферу.
Все эти свойства синхротронно-го излучения, подкрепленные успехами рентгеновских дифракционных исследований (в том числе проведенных в ИКАН), дали основание назвать сегодняшнее время ренессансом рентгеновской физики. Выходит, синхротрон — уникальная исследовательская база для всей нанодиагностики. Теперь любые опыты с излучением — оптические, рентгеновские, инфракрасные — можно ставить в одном месте, там, где расположен ускоритель. И в России есть для этого база. Скажем, ИКАНовцы активно работают на недавно запущенном в эксплуатацию первом в стране источнике син-хротронного излучения в Российском научном центре «Курчатовский институт».
Словом, нанотехнологии — та область знаний, где у России есть серьезные конкурентные возможности.
Ковальчук М.В. Линия синтеза. — Эксперт. № /3, 2003 г.
Матерная подготовил Я. В. РЕНЬКАС
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.