Александр Голубок

«В Университете ИТМО начали заниматься нанотехнологиями задолго до того, как это стало модным»

26−29 апреля в Санкт-Петербурге в пятый раз проходит конференция STRANN (State-of-the-art Trends of Scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects), посвященная нанообъектам. Ключевой темой события, организаторами которого выступили СПбГУ, компания ОПТЭК и Университет ИТМО, являются тренды и методики, которые позволят решить актуальные и новые задачи в вопросах создания и изучения микро- и наноразмерных объектов. Мы поговорили с заведующим кафедрой нанотехнологий и материаловедения Университета ИТМО, доктором физико-математических наук Александром Голубком, который является сопредседателем программного и организационного комитета STRANN, о современных тенденциях в нанотехнологиях, перспективных направлениях, а также о месте Университета ИТМО в развитии этой сферы.

Сегодня о нанотехнологиях говорят все. Расскажите, пожалуйста, что это такое?

Есть формальное определение нанотехнологий: считается, что если вы создаёте или имеете дело с объектами меньше 100 нм, то это область нанотехнологий. Но это не совсем правильно с точки зрения физики. Когда мы говорим о нанотехнологиях, дело не просто в размере объектов — важны новые свойства и новые качества, которые мы получили. Наноматериалы — это материалы, свойствами которых можно управлять с помощью нанотехнологий.

На самом деле, мы все уже давно пользуемся достижениями микро- и нанотехнологий в области оптотехники и фотоники, например лазерами и светодиодами. И когда мы при помощи пульта дистанционного управления переключаем телевизор или открываем автомобиль, когда мы видим четкую цветную картинку на своем смартфоне или экране монитора, то в тот момент мы используем достижения микро- и нанотехнологий. Даже многие фонари и светофоры уже диодные. Микро- и нанотехнологии окружают нас в повседневной жизни, и приложений у них несчетное количество.

В медицине нанотехнологии можно упомянуть в связи с перспективным направлением адресной доставки лекарств для попадания в межклеточное пространство. Из будущего — активное применение в системах безопасности, поскольку сегодня эта проблема становится особенно актуальной.

Вообще, нанотехнологии — это сложная область, где работают физика, химия, биология, информатика и моделирование в совокупности, и результаты ее могут использоваться в абсолютно разных направлениях. На самом деле, не существует отдельно взятых математики, физики, химии и информатики. Есть природа, и, чтобы разобраться в её законах, ученые вынуждены были структурировать информацию о ней и разделить на разделы, иначе ее изучение было бы невозможно. А сейчас настало время снова собирать все вместе. Нанотехнологии — это как раз та область, где такое объединение происходит реально, на практике. На самом деле большинство исследований имеют прикладную составляющую, просто некоторые исследования дают практический результат уже через год, а некоторые — через 50 лет.

Как был создан Центр нанотехнологий в Университете ИТМО?

В рамках программы развития наноиндустрии в России было организовано несколько десятков научно-образовательных центров в области нанотехнологий. Основные средства выделялись Министерством образования для того, чтобы создать в этих центрах современную приборную базу. Университет ИТМО выиграл конкурс и получил грант на создание такого центра. Так, 8 лет назад в Университете был создан Научно-образовательный центр по направлению нанотехнологий (НОЦ-НТ), оборудование которого сосредоточено в пяти тематических кластерах, в основном на факультете фотоники и оптоинформатики.

Университет ИТМО — национальный исследовательский университет, участник Проекта 5−100. Конечно, для того чтобы выполнять научную работу на высоком уровне, требуется самое современное оборудование, которое мы и используем в исследованиях, проводимых на различных кафедрах вуза.

Для оснащения кластера, сосредоточенного на нашей кафедре, был выбран современный и совершенно новый для нас прибор — двухлучевая станция ZEISS CrossBeam Neon 40 с установленной приставкой Raith ELPHY Plus, которая сейчас является нашим основным инструментом. С его помощью мы занимаемся не только визуализацией и диагностикой нанообъектов, но и созданием микро- и наноструктур, что стало новым направлением в нашей работе.

Это прецизионное оборудование с высокими требованиями к уровню вибраций. Оказалось, что в городе довольно трудно установить такой прибор из-за влияния различных источников. Тем не менее, такое помещение найти удалось. Оно удовлетворяет всем требованиям по уровню вибраций и электрических наводок. И, хотя оно находится в самом центре города, в окружении Большой и Малой Невы, помещение находится вдали от трамвайных путей, и влияние метро также оказалось несущественным. В итоге в этом месте были созданы все необходимые условия для работы с прибором и проведения исследований.

А в каких исследованиях используется CrossBeam?

Если говорить про современные нанотехнологии, можно выделить три основных крупных раздела: диагностика высокого разрешения, создание наноструктур и наноманипулирование. CrossBeam используется во всех трех направлениях.

Первое — это диагностика. Любая технология требует диагностики и контроля параметров. Когда мы работаем с нанообъектами, «на глаз» ничего узнать нельзя, поэтому тонкая визуализация и диагностика становятся крайне выжными. Мы работаем с объектами, которые не видны даже в оптический микроскоп, но нам необходимо контролировать их параметры. С этой задачей справляется CrossBeam.

Второе — это создание наноструктур. В основном все создают планарные наноструктуры. CrossBeam оснащен рядом приставок, позволяющих создавать объемные наноструктуры. Так, система газовой химии с определенными прекурсорами позволяет нам, фокусируя электронный пучок, разлагать металлоорганические молекулы и создавать металлоуглеродные вискеры, например платиноуглеродные или вольфрамоуглеродные. На их основе мы создаем трехмерные каркасные наноструктуры. Кроме того, наша система CrossBeam оборудована литографической приставкой Raith с широкими возможностями: можно прорисовывать необходимые структуры на образце и при этом контролировать все параметры.

Также активно развивается наноманипулирование — перемещение нанообъектов на нано- или микроскопические расстояния. Используя специальные манипуляторы, обладающие нанометровым шагом перемещения, мы передвигаем наночастицы с помощью специальной иглы. Если вместе с этим использовать сфокусированный электронный пучок, то можно манипулировать частицами, передвигать и собирать из них специальные наноструктуры, создавать наноантенны, моделировать фрагменты метаматериалов, создавать наномеханические осцилляторы. Сейчас многие занимаются нанотехнологиями, но мы в Университете ИТМО начали работать в этом направлении до того, как это стало модным.

Не могли бы вы рассказать подробнее о некоторых проектах, которыми вы занимались? Какие результаты были получены?

Например, мы занимаемся сейчас наномеханическими осцилляторами. Простейший осциллятор — это шарик на пружинке, совершающий колебания. А мы создаем вискеры, одномерные нитевидные структуры, которые можно раскачать, и они будут колебаться подобно шарику на пружинке. Мы измеряем их резонансные характеристики. Зачем это нужно? Есть чисто фундаментальный интерес к этим объектам с точки зрения квантовой механики. А есть прикладной — они могут работать как сенсоры. Частота колебаний такого вискера зависит от его массы. Если масса вискера изменилась, например, на него села одна молекула, то меняется и частота колебаний. Так вы можете взвесить одну молекулу. Есть работы, где даже отдельные атомы взвешивают на таких наномеханических осцилляторах. А сейчас появилась возможность создавать более сложные каркасные наноструктуры, делать на их основе связанные осцилляторы, и это один из наших проектов.

Другое направление — оптические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи, которые можно использовать в элементах фотоники. Это очень интересные и перспективные устройства. Название пришло из акустики: если вы в круглом помещении, например в соборе, подойдете близко к стене и начнете шептать, то звук будет распространяться по кругу, многократно отражаясь от стены почти без потерь, и, в конце концов, вернется к вам с другой стороны. Точно так же, за счет эффекта полного внутреннего отражения свет может распространяться и в оптическом резонаторе микроскопического размера. При этом его характеристики могут быть даже лучше, чем у резонаторов, которые собраны из зеркал на оптическом столе или в корпусах лазеров и имеют размеры от сантиметров до километров, как, например, в лазерных гравитационных антеннах. Такие миниатюрные резонаторы с уникальными характеристиками могут использоваться в самых разных устройствах фотоники, лазерной техники, гибридных устройствах, в оптических системах обработки и передачи информации.

Реализуете ли вы междисциплинарные проекты?

У нас на кафедре работает группа, которая занимается микрофлюидными системами. Её возглавляет профессор Анатолий Евстрапов. Есть такое актуальное направление — LabOnChip, или «лаборатория на чипе». Можно проводить очень тонкие химические эксперименты с молекулярными структурами или отдельными живыми клетками. В химии и биохимии требуется взять одно вещество или клетку, соединить с другим веществом, молекулярной структурой или другой клеткой, и исследовать их взаимодействие. Оказывается, если воспользоваться развитыми кремниевыми микротехнологиями, то можно создавать микроканалы в кремнии или стекле и по этим каналам перемещать жидкости, встречать и перемешивать их потоки. Можно тонко разделять молекулы с помощью электрофореза: в электрическом поле разные молекулы в среде движутся с разными скоростями — таким образом, их можно разделять и детектировать. Подобные микрофлюидные системы — одна из наших тем. Можно существенно улучшать их свойства, если в эти микроканалы встраивать наноструктуры. Мы можем создавать хроматографические структуры или ловушки для отдельных молекул и клеток. Это современное направление, которое активно развивается во всем мире.

Не могли бы вы рассказать про ваши уникальные проекты или ваши разработки, где вы были пионерами?

Одна из наших уникальных разработок, которую мы создаем с использованием CrossBeam, — это модуль зондового микроскопа, который можно использовать в электронном микроскопе. Мы хотим создать конкурентное решение, которое объединит электронный и зондовый микроскопы в одной системе. В работе с материалами на наноуровне электронная и зондовая микроскопия взаимодополняют друг друга, предоставляя разную информацию. В электронном микроскопе, думаю, непросто определить механические свойства материала без дорогих специализированных устройств. А если вы совмещаете методы и используете зонд, то такие характеристики можно определять. Иногда это важно, например, в нанотрубках — там мало увидеть их размеры, необходимо измерить модуль Юнга и другие механические характеристики. Совмещение разных аналитических методов в одном устройстве — очень актуальная деятельность. Когда-то к сканирующему электронному микроскопу прибавилась приставка рентгеновского микроанализа, скоро обычной станет и зондовая приставка. Фактически мы уже сделали подобный прибор, сейчас прорабатываем коммерческий вариант.

Второе — мы делаем самостоятельно системы наноманипулирования с помощью совмещения электронного пучка и механической иглы. В системе CrossBeam есть специальный модуль, микроманипулятор, который позволяет механически работать с микрообъектами и перемещать их. Нами был обнаружен эффект, когда под воздействием электронного пучка игла микроманипулятора заряжается и уже электрическим полем притягивает к себе объект. Можно не только механически его передвигать, но и подцеплять на острие и переносить на другой образец или в другую часть образца. Эту технику мы усовершенствовали: сами создаём иглу, крепим её к манипулятору, и уже этим тонким нанометровым зондом совершаем необходимые действия. Ее можно использовать для создания различных объектов — например, наноантенн и структурированных наносистем.

К вам обращаются из других учреждений за помощью в решении прикладных задач?

Мы работаем на этом приборе для решения общеуниверситетских и кафедральных задач, однако мы открыты для смежных областей и совместных проектов. Так, мы активно работаем с Физико-техническим институтом имени А. Ф. Иоффе РАН. Совместно с учеными ФТИ мы создали элементы фотоники с модами типа шепчущей галереи, провели исследования для ОАО «Авангард».

Мы также участвовали в специальном образовательном проекте «РОСНАНО», в рамках которого они организовали обучение сотрудников своих проектных компаний, созданных для работы в наноиндустрии. Представители пяти компаний из Санкт-Петербурга и Казани слушали лекции, проходили практические занятия и знакомились с нашим нанотехнологическим оборудованием. Большое внимание уделялось практическим занятиям, умениям и навыкам. Это была переподготовка инженеров из разных областей с учетом перспективных задач в области нанотехнологий, которые решали их предприятия.

Сайт конференции, где будут обсуждать перечисленные разработки и другие новинки в сфере нанотехнологий, по ссылке.

Беседовала Евгения Метлушко

Архив по годам: