Нанотехнологии: мотор для прогулок робота среди атомов

Известно, что ни один из живущих в Украине миллиардеров не создал свое состояние на развитии хай-тэка. Непохоже, чтобы они в скором времени переориентировались с продажи сырья и металла на выпуск высокотехнологичной продукции. Правда, ректор Национального технического университета Украины «КПИ» профессор Михаил Згуровский недавно высказал надежду, что вскоре с помощью нового научного парка «Киевская политехника» появятся первые украинские миллионеры, заработавшие свой капитал на развитии собственных научных и технических идей. В связи с этим ректор даже рассказал о том, что намечено создание Силиконовой долины в Украине для развития хай-тэка.

Обозреватель «ЗН» посетил несколько наиболее многообещающих кафедр столичного вуза, чтобы познакомить читателей с тем, насколько реалистичными выглядят надежды ректора. Первая разработка в этом ряду — наноманипулятор для путешествий среди лилипутов микромира. Создан миниатюрный мотор, позволяющий передвигаться самыми крохотными шагами в мире — каждый шажок длиной с… межатомное расстояние. Вот как оценивает эти достижения профессор Сергей Петренко.

— ХХI век — время великих достижений в области клеточных технологий. Именно здесь ожидают вскоре найти ключ к победе над чумой ХХI века — раком. Но оказалось, что вести эффективные исследования в этой области с такой скоростью, какой хотелось бы ученым, мировая наука не может. Дело в том, что клетка — достаточно мелкий объект. При этом исследователю нужно подойти с определенной стороны к клетке, провести на ней некоторую операцию, например вырезать ее часть, а затем куда-то доставить. И все эти манипуляции проделать в условиях, когда объект невидим невооруженным глазом. Пока экспериментаторы работают, полагаясь на точность своих рук, показания приборов и картинки с супермикроскопов. В общем, для этого нужно мастерство сродни тому, которым мы восхищаемся на выставках Николая Сядристого. Но ведь такими операциями ученые занимаются не ради высокого искусства или рекорда — это их рутинный лабораторный труд, — рассказал С. Петренко.

— То, что подобное положение нужно в корне менять, ясно давно. Вот для работы с такими объектами в КПИ и создали наноробот, или наноманипулятор. Разработка и изготовление таких приборов — одно из главных наших направлений. В мире сегодня создано пять типов мини-манипуляторов для работы в этом диапазоне размеров. Однако мы сделали манипулятор, который, по оценкам ведущих фирм, в частности американских WPI.Inc, DTI LLp, является самым точным в нанодиапазоне. Это как раз тот масштаб, который необходим для работы с клеткой. Точность и другие качества позволяют ему быть в настоящее время практически вне конкуренции — ничего подобного в лучших лабораториях мира нет.

Мы создали малое предприятие «Лілея», занимающееся изготовлением такой уникальной продукции. Уже сделано около ста штук манипуляторов. При этом они зарекомендовали себя наилучшим образом в разных странах мира. Сейчас нам отовсюду поступают заказы на манипуляторы и их различные модификации.

— Занятный вопрос. Поначалу мы так и поступили — отдали заказ на одно из таких предприятий. Однако там собирали наш прибор целый… год. Понятно, что с такими темпами конкурировать на мировом рынке попросту невозможно. Мы пришли к выводу, что надежнее будет пойти на дополнительные траты, построить отдельный цех и собирать все самим. Параллельно наладили связи с предприятиями, изготавливающими для нас комплектующие. Так родилась компания «Лілея», с помощью которой было налажено небольшое производство по созданию принципиально новых для нашей промышленности систем — фактически нанороботов.

У нас уже есть новые весьма перспективные разработки, позволяющие дальше совершенствовать наши нанороботы. Кроме того, мы поставляем иностранным компаниям комплектацию — собственно весь блок узлов, — а они добавляют к ним какой-то элемент и…

— Именно так…

— К сожалению… Тем более, что мы только проби­ваемся на мировой рынок (хоть и с уникальным продуктом) и цены для нас демпинговые. Могу сказать, что система, изготовленная иностранной фирмой на основе нашего ноу-хау, продается в 5—7 раз дороже, чем та начинка, которую мы им поставляем.

— Да, на этой системе точно не разбогатеем. Поэтому я сейчас предлагаю другие изделия. К примеру, в Германии на Всемирной выставке «Ганновер-Мессе» мы демонстрировали микроприводы. Ничего подобного пока никто в мире не производит. Было приятно видеть, когда к нашему стенду подходили специалисты из разных стран и говорили: мы готовы это все у вас купить, но как это можно сделать?

Мы отвечали: пока продать не можем, так как делаем все это для себя в количестве десяти-двадцати, ну (уже с некоторым напряжением) ста штук в год…

— 15 тысяч штук в год готова заказать только одна компания в Германии. Нам пока такой привод обходится в 50 долларов. Но если его себестоимость довести до нескольких долларов, он вообще пойдет массовыми партиями, так как нужен буквально везде и всем в науке и технике. По сравнению с традиционным этот двигатель обладает высокой маневренностью, поскольку он без редуктора и поэтому практически не обладает инерцией. Кроме того, у него низкая скорость — примерно один оборот в секунду. Это очень важное достоинство!

И третье — его уникальное качество, которое специалисты называют «стартстопность». Так мы определяем его потрясающую разрешающую способность, или умение, говоря попроще, ходить очень мелкими шажками. Наше ноу-хау в этом деле — пьезоэлектрический двигатель. Когда говорят, что в ХХI веке началась эра нанотехнологий, могу сказать, что реально на практике она началась именно с такого двигателя. Если примем, что среднее атомное расстояние — один ангстрем (это десятимиллиардная часть метра), то наш двигатель может работать в пределах одного ангстрема.

Такая точность и легкая управляемость работой наномотора позволяет даже студентам делать тончайшие операции на живых клетках. С помощью нашего наноманипулятора они в качестве лабораторных работ производят операции (естественно на манипуляторах), казавшиеся еще недавно уникальными и доступными только суперасам. Например, они могут провести клонирование (условно) с пересадкой части клетки и получить клон. Для этого в клетке-доноре разрезают мембрану и извлекают оттуда ядро. Теперь наноманипулятор, работающий по специальной программе, вынимает из нее ядро и пересаживает его в другую клетку-реципиент.

Понятно, что для автоматизации такой биотехнологической операции пришлось привлечь высшие достижения информационных технологий, нанотехнологий и, естественно, современной биологии.

Этот мотор работает с использованием принципа обратного пьезоэлектрического эффекта. Прямой пьезоэлектрический эффект (он давно хорошо всем знаком, так как работает даже в зажигалке) проявляется тогда, когда вы вводите механическую деформацию на пьезоэлемент и получаете электрический потенциал. Работа такой зажигалки чем-то сродни добыванию огня с помощью трения. Только здесь механическое усилие превращается не в теплоту, зажигающую огонь, а в электричество, искру, которая опять же поджигает газ в зажигалке.

А у нас в наномоторе все работает на обратном принципе — мы получаем крохотную механическую деформацию (фактически нанодеформацию — настолько она мала) и преобразовываем ее с помощью специальных волноводных систем во вращательное движение с громадным моментом. Это движение передается микронной иголочке, работающей в нанопространстве. Она-то и позволяет выполнять операции на микроуровне.

— Да, и не только для биотехнологических операций, но и для сборки больших интегральных схем. При нынешней технологии существует немалая проблема при совмещении слоев. Сегодня удается получить ширину орнамента дорожки в 40 нанометров, а совмещать слои нужно с точностью до нанометра. Наша система позволяет решить эту проблему. Правда, в мире уже есть системы, которые способны справиться с такой задачей, но они стоят баснословно дорого — до 80 млн. долларов каждая!

Чтобы создать систему, способную конкурировать с подобными аппаратами, нам нужен для начала хотя бы десяток миллионов долларов на разработки…

— Видимо, этой перспективой мы не воспользуемся. Грустно. Хотя мы имеем соответствующий патент в Украине, затем американцы профинансировали патентование в США. А недавно они выделили средства на патентование нашей первой модели во всем мире. Сейчас уже патентуется и вторая наша модель. Подводя итог, могу сказать, что патент в Украине принадлежит мне, а в США — департаменту энергии США, который выделил на него деньги.

— Роялти мы должны получить, но у американцев исключительная лицензия на использование данного изобретения на территории США. Грустно, конечно, но если бы мы не согласились на такие условия, то не имели бы вообще ничего — у нас таких денег на патентование в США (это более 25 тысяч долларов) нет. Естественно, что касается авторских прав, то все в этом патенте сохранено. Однако государство могло иметь гораздо больше, если бы оно или кто-либо из наших олигархов дал деньги на патент. Но, видимо, мы еще до такого бизнеса не доросли…