С 7 по 10 апреля 2008 г. Московский институт электроники и математики провел школу-семинар «Наноструктуры, модели, анализ и управление», на которой было прочитано 32 лекции. Уровень лекций был профессиональным и, одновременно, - доступным для студентов старших курсов. Среди лекторов были руководители ряда научно-производственных объединений, являющихся передовыми центрами по выпуску нанотехнологической продукции: «Алмаз», «Волга» (Саратов), НИИ Материаловедения, «Пульсар», «Торий», НИИ Физических проблем (Зеленоград). С другой стороны, был представлен РНЦ «Курчатовский институт» и ряд ведущих академических институтов, например, таких как Институт проблем технологий микроэлектроники (Черноголовка), Институт СВЧ- полупроводниковой электроники, Институт радиотехники и электроники, Институт общей физики, Институт химической физики, Институт математических проблем биологии, Институт биохимической физики, Институт химии силикатов. Ключевые лекции на школе-семинаре прочитали также ученые, работающие в российских ВУЗах (МГУ, Физтех, МИЭТ, МИЭМ, МИСИС, МИРЭА, С.-Петербургский ИТМО, Саратовский университет). Две лекции были прочитаны онкологами из Академии медицинских наук.

    

В Организационном и Программном комитете школы участвовали также представители Министерства науки и образования, головной организации по нанотехнологиям РНЦ «Курчатовский институт», а также Президиума РАН, Математического института и Института математического моделирования РАН, Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН.

Школа была посвящена юбилею научно-педагогической деятельности академика В.П. Маслова. Этого выдающегося российского математика и механика, создавшего в стенах МИЭМ научную школу мирового класса, всегда отличала удивительная научная интуиция, позволявшая вычленять ключевые элементы из потока информации и чрезвычайно далеко обобщать обнаруженные структуры. Обладая такими качествами мышления, ученый способен делать кардинально новые шаги, которые не являются простым продолжением уже ранее сделанного на более тонком, изощренном уровне. Это – диалектические скачки. Именно подобного рода действия и особые программы восходящего развития необходимы сейчас для обеспечения стратегического паритета нашей страны в гонке нанотехнологий.

Многие считают, что нанотехнологии – это просто микротехнологии, но продвинутые на новый, более тонкий уровень измерений и манипуляций с объектами. Однако, это лишь отчасти верно. Суть дела при таком подходе может остаться «за бортом». Проводем аналогию: можно ли сказать, что биология – это просто химия достаточно сложных молекул? А химия – это просто физика атомных электронных оболочек? Разумеется, нет.

"If we try to analyze things too closely, we risk not understanding how they work on a collective level. The organisation principles are just as (or even more) important as the properties of the things being organised" {об этих идеях см. статью Нобелевского лауреата Филиппа Андерсона "More is different", Science, 1972, Vol. 177 No. 4047}.

На то обстоятельство, что теория электродинамических мезосистем, из которых, собственно, и состоит наномир, должна описываться своими специфическими закономерностями, указывает, например, теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау, обнаружение Жоресом Алферовым двумерных электронных систем в гетероструктурах, эксперимент Клауса фон Клитцинга, доказавший квантовый характер тонких полупроводниковых пленок, или открытие Робертом Лафлином квантовых жидкостей с дробным зарядом квазичастиц, скажем, 1/3 от заряда электрона.

В качестве примера другого рода можно упомянуть проблему самосборки наночастиц, молекул. Молекулярный инженеринг (который еще предстоит создать) будет чудовищно неэффективным, если он будет использовать манипуляторы для сборки нанообъектов. Рациональный путь предполагает формирование начальных условий, которые специфицируют формы локальных молекулярных взаимодействий и запускают детерминированные траектории самосборки, приводящие к самопроизвольному росту строго заданных нанообъектов. Собственно, в природе феномен самосборки распространен повсеместно и может рассматриваться как явление заурядное. Однако, в науке до сих пор явление самосборки не имеет сколько-нибудь удовлетворительного описания ни в рамках современной квантовой механики, ни в квантовой химии, ни в молекулярной биологии.

Сродни этому – проблема резонансов. С точки зрения термодинамики, резонансы – явление редкое и вредное. Когда части материи движутся хаотически, неупорядоченно, – все течет и рассыпается в прах; как и положено, энтропия увеличивается. Но на более тонком (нано) уровне появляется атом. Это резонансная система с очень широкими спектральными щелями, и благодаря этому – очень устойчивая к возмущениям. Точно так же, молекула или кристаллическая решетка – это резонансная система с устойчивыми коллективными состояниями протонов, нейтронов и электронов. Явление резонанса представляет собой креативный механизм эргодического мира, создающий устойчивые структуры. Общее описание резонансных взаимодействий – это также открытая проблема.

Другой пример. В связи с развитием вычислительных возможностей был достигнут значительный прогресс в компьютерном моделировании молекулярных наноструктур. Возникло даже представление, что решив уравнение Шредингера для большего числа электронов в оболочке сложных молекул, можно добыть всю нужную информацию о любых наносистемах. Эта представление сродни мысли о возможности описания термодинамики с помощью механики очень большего числа точечных частиц. К сожалению (или к счастью для человеческого интеллекта), нереально надеяться, что все удастся напрямую вычислить на компьютере из простых моделей квантовой механики. Несколько утрируя, можно заметить, что для такого лобового обсчета реальных наносистем необходимы будут компьютеры, столь же сложные, как и сами эти системы. Поэтому параллельно с компьютерным наномоделированием, а также с разработкой принципиально новых методов математического анализа, важно заниматься поиском фундаментальных законов построения и функционирования наносистем.

Основу будущих искусственных наносистем составят восходящие технологии, синтезирующие существующие сейчас подходы в нечто принципиально новое {см. об этом книгу Нобелевского лауреата Роберта Лафлина "A Different Universe: reinventing physics from the bottom down", 2006}. Поиск и разработка таких технологий должны стать одной из базовых частей общей стратегией. Именно к такому выводу подвел слушателей цикл лекций, прочитанных на школе в МИЭМ.

Школа-семинар завершилась проведением «круглого стола», где был выработан ряд предложений по развитию программы нано-исследований.

До настоящего времени разработка перспективных новых материалов (нанопокрытия, нанонаполнения) была чуть ли ни главной целью развития наноиндустрии во всем мире, благодаря очевидным важным применениям и быстрой окупаемости вложений. Однако, генеральная цель развития нанотехнологий - прорыв в мир молекулярной инженерии – предписывает сосредоточиться теперь на создании моделей и инструментальных средств.

Ключевые компоненты необходимого инструментария такие:

  • новые эффекты и новые принципы математической физики для описания наноструктур  и нанопроцессов,
  • физические приборы и диагностическое оборудование, основанные на применении новых эффектов и методик,
  • новейшие технологии математического и компьютерного моделирования,
  • суперкомпьютеры и специализированные акселераторы для поддержки уникальных численных методов,
  • комплексные программные средства автоматического проектирования.

Соответственно генеральной цели должен быть переосмыслен и нынешний базовый принцип: быстрая коммерческая окупаемость вложений в нано-исследования и разработки.   Представляется, что в данный момент необходимо

  • усилить финансирование теоретических нано-исследований, направленных на выявление новых законов и эффектов наномира, поддержку научных школ, развивающих новые фундаментальные идеи в данной области, обращая особое внимание на междисциплинарные исследования,
  • одновременно с подтягиванием инструментальной базы технологий до мирового уровня делать упор на те отечественные разработки, которые не повторяют, а открывают новые направления развития наноиндустрии,
  • делать вложения в российские разработки программных продуктов и комплексных систем САПР для наноиндустрии, имея в виду, что в перспективе владение независимым программным обеспечением будет столь же ключевым, как обладание высокими технологиями или инновационной научно-образовательной средой,
  • создать «технологические платформы» - то есть, постоянно действующие встречи, консультации и дискуссии  совместно теоретиков, технологов и бизнесменов, на которых будет обеспечена возможность предложения и открытого обсуждения новых идей и проектов.

Школа-семинар «Наноструктуры, модели, анализ и управление» была задумана, в основном, как учебная, преследующая ознакомительные цели. Наряду с этим она реально доказала, что взаимное «непонимание» между технологами, физиками и математиками вполне преодолимо, а их общение может стать очень конструктивным и плодотворным. Отличительная особенность школы: среди лекторов было равное представительство директоров высокотехнологичных предприятий и ученых из ВУЗов и институтов РАН, причем, и те и другие демонстрировали единство на содержательном уровне. Дальнейшее развитие этого единства могло бы стать «коньком» данной школы при её последующих проведениях.

Важный итог представленных докладов – объективное утверждение о том, что по генеральным направлениям развития нанотехнологий отечественные разработки и научные исследования занимают далеко не отстающие позиции, а по ряду направлений вполне могут претендовать на ведущее положение. Стало очевидным также, что значительная часть этого научного и производственного потенциала в настоящий момент все еще не востребована.

Представленные на школе лекции обозначили важные научные и технологические заделы, а также интеллектуальные возможности участников. Это естественным образом подвело к формулировке проектов совместных комплексных исследований.

Участники «круглого стола» единодушно выразили благодарность Организационному и Программному комитету за проделанную большую работу по оперативной организации школы (она была осуществлена «с нуля» за два с небольшим месяца), а также всему руководству и различным службам Московского института электроники и математики за неформальную помощь и очень радушный прием, оказанный всем участникам школы-семинара.

© 2008, Кафедра Прикладной Математики МИЭМ