Нанотехнології: мотор для прогулянок робота серед атомів

Відомо, що жоден із мільярдерів, які живуть в Україні, не створив свого статку на розвитку хай-теку. Несхоже, що вони невдовзі переорієнтуються з продажу сировини та металу на випуск високотехнологічної продукції. Правда, ректор Національного технічного університету України «КПІ» професор Михайло Згуровський недавно висловив надію, що незабаром із допомогою нового наукового парку «Київська політехніка» з’являться перші українські мільйонери, котрі зароблять свій капітал на розвитку власних наукових і технічних ідей. У зв’язку з цим ректор навіть розповів, що планується створення своєї Силіконової долини в Україні для розвитку хай-теку.

Оглядач «ДТ» відвідав кілька найбільш багатообіцяючих кафедр столичного вузу, щоб ознайомити читачів із тим, наскільки реалістичні сподівання ректора. Перша розробка в цьому ряду — наноманіпулятор для подорожей серед ліліпутів мікросвіту. Створено мініатюрний мотор, який дозволяє рухатися найменшими кроками у світі — кожен крок завдовжки з... міжатомну відстань. Ось як оцінює ці досягнення професор Сергій ПЕТРЕНКО.

— ХХI століття — час великих досягнень у галузі клітинних технологій. Саме тут очікують незабаром знайти ключ до перемоги над чумою ХХI століття — раком. Та з’ясувалося, що вести ефективні дослідження в цій галузі з такою швидкістю, якої хотіли б учені, світова наука не може. Річ у тому, що клітина — досить дрібний об’єкт. При цьому дослідникові потрібно підійти з певного боку до клітини, провести на ній певну операцію, наприклад вирізати її частину, а потім кудись доставити. І всі ці маніпуляції проробити в умовах, коли об’єкт невидимий неозброєним оком. Поки що експериментатори працюють, покладаючись на точність своїх рук, показання приладів та зображення із супермікроскопів. Загалом, для цього потрібна майстерність на кшталт тієї, якою ми захоплюємося на виставках Миколи Сядристого. Однак такі операції вчені роблять не заради високого мистецтва чи рекорду — це їхня рутинна лабораторна праця, — розповів С. Петренко.

— Що це становище потрібно в корені змінювати, зрозуміло давно. Ось для роботи з такими об’єктами в КПІ і створили наноробот, або наноманіпулятор. Розробка й виготовлення таких приладів — один із головних наших напрямів. У світі сьогодні створено п’ять типів міні-маніпуляторів для роботи в цьому діапазоні розмірів. Проте ми зробили маніпулятор, який, за оцінками провідних фірм, зокрема американських WPI.Inc, DTI LLp, є найточнішим у нанодіапазоні. Це саме той масштаб, який необхідний для роботи з клітиною. Точність та інші характеристики дозволяють йому бути на цей час практично поза конкуренцією — нічого подібного в найкращих лабораторіях світу немає.

Ми створили мале підприємство «Лілея», що виготовляє таку унікальну продукцію. Вже зроблено близько ста штук маніпуляторів. При цьому вони зарекомендували себе якнайкраще у різних країнах світу. Нині нам звідусіль надходять замовлення на маніпулятори та їхні різноманітні модифікації.

— Цікаве запитання. Спочатку ми так і зробили — віддали замовлення на одне з таких підприємств. Проте там складали наш прилад... рік. Зрозуміло, що з такими темпами конкурувати на світовому ринку попросту неможливо. Ми дійшли висновку, що надійніше буде піти на додаткові витрати, побудувати окремий цех і складати все самим. Паралельно налагодили зв’язки з підприємствами, які виготовляють для нас комплектуючі. Так народилася компанія «Лілея», з допомогою якої було налагоджено невеличке виробництво зі створення принципово нових для нашої промисловості систем — фактично нанороботів.

У нас уже є нові дуже перспективні розробки, які дозволяють далі вдосконалювати наші нанороботи. Крім того, ми поставляємо іноземним компаніям комплектацію — власне весь блок вузлів, — а вони додають до них якийсь елемент, і...

— Саме так...

— На жаль... Тим паче що ми тільки пробиваємося на світовий ринок (хоча й з унікальним продуктом), і ціни для нас демпінгові. Можу сказати, що система, виготовлена іноземною фірмою на основі нашого ноу-хау, продається уп’ятеро-всемеро дорожче, ніж начинка, яку ми їм поставляємо.

— Так, на цій системі точно не розбагатіємо. Тому я нині пропоную інші вироби. Скажімо, в Німеччині на Всесвітній виставці «Ганновер-Мессе» ми демонстрували мікроприводи. Нічого подібного наразі ніхто у світі не робить. Було приємно бачити, як до нашого стенду підходили фахівці з різних країн і казали: ми готові все це у вас купити, але як це можна зробити?

Ми відповідали: поки що продати не можемо, бо робимо все це для себе в кількості десять-двадцять, ну (вже з певним напруженням) — сто штук на рік...

— 15 тисяч штук на рік готова замовити лише одна компанія в Німеччині. Для нас поки що такий привод коштує 50 доларів. Але якщо його собівартість довести до кількох доларів, він узагалі піде масовими партіями, тому що потрібен буквально скрізь і всім у науці та техніці. Порівняно з традиційним, цей двигун має високу маневреність, оскільки він без редуктора й тому практично не має інерції. Крім того, у нього низька швидкість — приблизно один оберт на секунду. Це дуже важлива перевага!

І третє — його унікальна якість, яку фахівці називають «стартстопність». Так ми визначаємо його приголомшливу розрішувальну здатність, або вміння, кажучи простіше, ходити дуже дрібними кроками. Наше ноу-хау в цій справі — п’єзоелектричний двигун. Коли заявляють, що у ХХI столітті розпочалася ера нанотехнологій, можу сказати, що реально на практиці вона розпочалася саме з такого двигуна. Якщо домовимося, що середня атомна відстань — один ангстрем (це десятимільярдна частина метра), то наш двигун може працювати в межах одного ангстрема.

Така точність і легка керованість роботою наномотора дозволяє навіть студентам виконувати надзвичайно тонкі операції на живих клітинах. Із допомогою нашого наноманіпулятора вони під час лабораторних робіт роблять операції (природно, на маніпуляторах), які ще недавно здавалися унікальними й доступними лише суперасам. Наприклад, вони можуть провести клонування (умовно) з пересадкою частини клітини й отримати клон. Для цього у клітині-донорі розрізають мембрану і витягують звідти ядро. Тепер наноманіпулятор, який працює за спеціальною програмою, виймає з неї ядро і пересаджує його в іншу клітину-реципієнт.

Зрозуміло, що для автоматизації такої біотехнологічної операції довелося залучити вищі досягнення інформаційних технологій, нанотехнологій і, природно, сучасної біології.

Цей мотор працює з викорис­танням принципу зворотного п’єзоелектричного ефекту. Прямий п’єзоелектричний ефект (він давно добре всім відомий, бо працює навіть у запальничці) виявляється тоді, коли ви вводите механічну деформацію на п’єзоелемент і отримуєте електричний потенціал. Робота такої запальнички схожа на добування вогню з допомогою тертя. Тільки тут механічне зусилля перетворюється не на теплоту, що запалює вогонь, а на електрику, іскру, що, знову ж, підпалює газ у запальничці.

А в нас у наномоторі все працює на зворотному принципі — ми отримуємо крихітну механічну деформацію (фактично, нанодеформацію — така вона мала) і перетворюємо її з допомогою спеціальних хвилеводних систем на обертальний рух із величезним моментом. Цей рух передається мікронній голці, що працює в нанопросторі. Ось вона й дозволяє виконувати операції на мікрорівні.

— Так, і не тільки для біотехнологічних операцій, а й для складання великих інтегральних схем. Для теперішньої технології існує чимала проблема при суміщенні шарів. Сьогодні вдається отримати ширину орнаменту доріжки 40 нанометрів, а суміщати шари потрібно з точністю до нанометра. Наша система дозволяє вирішити цю проблему. Правда, у світі вже є системи, здатні впоратися з таким завданням, але вони коштують дуже дорого — до 80 млн. доларів кожна!

Щоб створити систему, здатну конкурувати з такими апаратами, нам потрібен для початку хоча б десяток мільйонів доларів на розробки...

— Напевно, цією перспективою ми не скористаємося. Сумно. Хоча ми маємо відповідний патент в Україні, потім американці профінансували патентування у США. А недавно вони виділили кошти на патентування нашої першої моделі в усьому світі. Нині вже патентується і друга наша модель. Підбиваючи підсумки, можу сказати, що патент в Україні належить мені, а в США — департаментові енергії США, який виділив на нього гроші.

— Роялті ми повинні отримати, але в американців виключна ліцензія на використання цього винаходу на території США. Сумно, звісно, та якби ми не погодилися на такі умови, то взагалі не мали б нічого — в нас таких грошей на патентування у США (це понад 25 тисяч доларів) немає. Природно, що стосується авторських прав, то все в цьому патенті збережено. Проте держава могла мати набагато більше, якби вона або хтось із наших олігархів дала гроші на патент. Але, очевидно, ми ще до такого бізнесу не доросли...