Статьи

Александр Голубок: В Университете ИТМО начали заниматься нанотехнологиями задолго до того, как это стало модным

19 апреля 2016 Рубрика: Интервью Ключевые слова: оборудование для нанотехнологий, оборудование, нанообъекты, конференция, STRANN

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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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?

Александр Голубок: 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.

Беседовала Евгения Метлушко

Заведующий кафедрой нанотехнологий и материаловедения Университета ИТМО, доктор физико-математических наук Александр Голубок

Заведующий кафедрой нанотехнологий и материаловедения Университета ИТМО, доктор физико-математических наук Александр Голубок

Добавить комментарий

  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 26
  • 27
  • 28
  • 29
  • 30
  • 31
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5