Тонкое искусно: нанопровода помогут создать роботов размером с молекулу

Ученые разработали новый метод для получения нанопроводов — одномерных кристаллов толщиной в десятитысячные доли миллиметра. В их основе — соединения никеля, тантала и селена. Эти материалы в отличие от аналогов показали высокую стабильность и устойчивость к влаге, ультрафиолету и другим воздействиям. Разработка открывает возможности создания сверхминиатюрных электронных устройств, например, роботов размером с молекулу. Это, в частности, позволит проводить сложную диагностику. Однако эксперты отмечают, что при внедрении и развитии технологии могут возникнуть проблемы с масштабированием производства.

Как получают нанопровода

Ученые из НИТУ МИСИС совместно с коллегами Тулейнского университета (США) и Сучжоуского университета науки и техники (КНР) разработали новый метод создания нанопроводов — кристаллических структур, которые представляют собой ультратонкие нити.

Эти материалы дают возможность изготавливать миниатюрную электронику. Например, чипы или роботы размером с одну или несколько молекул. Будучи добавлеными в различные материалы, они наделяют их «умными» свойствами. В частности, такие устройства позволят изменять прозрачность поверхностей под действием солнечных лучей. В медицине они позволят проводить сложную диагностику, а также эффективно и быстро лечить раны.

Как объяснили ученые, новые материалы созданы на базе соединений тантала, никеля и селена. Их толщина — всего от 100 до 400 нм, а длина — до нескольких миллиметров.

— На протяжении десятилетий кремний был главным материалом для электроники. Однако сейчас разработки на их основе достигли своего технологического предела. Дальнейшее уменьшение таких устройств ведет к резкому ухудшению их характеристик. Поэтому специалисты ищут материалы, которые проявляют свои электронные свойства на нанометровых масштабах, — рассказал один из исследователей, заведующий лабораторией цифрового материаловедения НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Павел Сорокин.

По его словам, полученные материалы относятся к классу одномерных кристаллов. Они представляют собой длинные тонкие «ленты» из ряда повторяющихся структур. Такая конфигурация атомов обеспечивает материалу высокую плотность тока и устойчивость к внешним воздействиям.

Несмотря на это, применение одномерных материалов ограничено. Прежде всего по причине сложности их получения, поскольку до сих пор их вручную отделяли от больших кристаллов. Это малоэффективно, и, кроме того, такая технология не дает возможности получить однородные и стабильные структуры достаточной длины. Поэтому материалы показывали выдающиеся характеристики только в лаборатории и были неприменимы для массового производства микроскопических чипов.

— В отличие от традиционного подхода, где исходные порошки располагаются в одной точке ампулы, в новой методике их равномерно распределили по всей ее внутренней поверхности с помощью электростатической зарядки. Затем ампулу нагревали, вследствие чего на ее стенках формировались тончайшие кристаллические нити, — объяснил научный сотрудник лаборатории цифрового материаловедения НИТУ МИСИС Константин Ларионов.

В рамках эксперимента специалисты в течение месяца наблюдали за состоянием кристаллов вне ампулы при комнатной температуре. В отличие от большинства наноматериалов, которые чувствительны к окислению, влаге и ультрафиолету, их структура не ухудшилась.

Более того, оказалось, что в дальнейшем их можно механически расщеплять на еще более тонкие нити толщиной до 7 нм. Это открывает новые перспективы, добавил ученый. В частности, квантово-химические расчеты подтвердили возможность изготовления отдельных стабильных миниатюрных структур с полупроводниковыми свойствами.

Например, при взаимодействии с никелем на поверхности кристаллов формируются стабильные и однородные контакты Шоттки. Так называют разность потенциалов на границе металла и полупроводника. Эти эффекты полезны для создания фотодетекторов, солнечных элементов и других приборов, где необходима чувствительность к электрическому полю, объяснил Константин Ларионов.

По мнению ученых, предложенный метод может открыть путь к созданию электронных схем на одном нанопроводе. Такие кристаллы могут стать основой для множества устройств молекулярной электроники.

Какие устройства можно создать с помощью нанопроводов

Например, ультратонкие сенсоры можно использовать в составе специализированных «умных» поверхностей или аэрозольных облаков, в которых чувствительные молекулы-рецепторы изменяют свои электрические свойства при взаимодействии с целевыми веществами.

— Зачастую нанопровода получают из материалов с высокой химической активностью. К примеру, атомы кремния обладают свободными электронами, которые должны быть чем-то заняты. Поэтому они притягивают посторонние молекулы — водород, кислород и другие элементы из атмосферы. Эти примеси изменяют свойства материалов. В представленной разработке края нанопроводов химически скомпенсированы, то есть неактивны. Поэтому в отличие от кремния к ним меньше прилипают посторонние вещества, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Дмитрий Квашнин.

Еще одно преимущество разработки — слоистость полученных материалов. Это характерно для структур типа графена, который получают из графита, где слои легко отделяют друг от друга благодаря слабым электростатическим связям.

Однако эти преимущества сопряжены с технологическими сложностями. Объекты крайне малы, и точно контролировать механическое воздействие для их расщепления сложно. Создание таких «ювелирных» структур требует высокой точности.

— Устойчивость к окислению, влаге и ультрафиолету — это редкость для подобных наноструктур. Такая технологическая платформа открывает возможности для создания не только отдельных электронных компонентов, но и полноценных схем на базе единого нанопровода, — считает главный редактор портала IT-World и журнала IT Expert Андрей Виноградов.

Он отметил, что миниатюризация — основа прогресса современной электроники. Уменьшение размеров компонентов позволяет снизить энергопотребление, сократить путь сигнала, что в конечном итоге увеличивает быстродействие устройств. Развитие подобных технологий важно для развития носимой электроники, а особенно в медицинской области, где очень важен размер сенсоров и приспособлений.

Вместе с тем, подчеркнул эксперт, при внедрении и развитии технологии могут возникнуть проблемы с масштабированием производства, поскольку интеграция таких ультратонких элементов в промышленные процессы требует разработки новых методов манипуляции, сборки без повреждения структуры. Также возможно появление новых типов дефектов, которые будут влиять на характеристики устройств. Поэтому нужно изучить надежность работы нанопроводов в различных условиях, особенно в агрессивных средах и при механических нагрузках, резюмировал специалист.