2 доклада Фотонные технологии нанодиапазона (получение и диагностика нанообъектов и манипулирование ими); Фотонные технологии обеспечения безопасности (распознавание объектов, детектирование следов

Фотонные технологии нанодиапазона (получение и диагностика нанообъектов и манипулирование ими)

Покорение человеком природы еще не закончено. Во всяком случае, мы
еще не завоевали наномир и не установили там свои правила. Давайте
посмотрим, что это такое и какие возможности открывает мир объектов
нанометрового масштаба.
Когда-то прогресс в микроэлектронике был заметен. Теперь мы вступили в
новую эру нанотехнологий. Что такое "нано", которое то тут, то там добавляют
к таким обычным словам, как наноробот, наномашина, нанорадио и т.д., чтобы
придать им новое и современное звучание? В Международной системе единиц
(СИ) используется префикс "нано". Он используется для обозначения единиц,
расположенных ниже десятичной точки. Это одна миллиардная часть базовой
единицы. В данном случае речь идет об объектах, размеры которых
определяются в нанометрах. Другими словами, один нанометр - это одна
миллиардная часть метра. Для сравнения, микрон (он же микрометр, от
которого получили свои названия микроэлектроника и даже микробиология и
микрохирургия) - это одна миллионная часть метра.
Если взять в качестве примера миллиметр (приставка "милли-" означает
одну тысячную), то в одном миллиметре содержится 1 000 000 нанометров (нм),
или 1 000 микрометров (мкм). Средняя толщина человеческого волоса
составляет 0,05 - 0,07 мм, или 50 000 - 70 000 нм. Диаметр волоса можно
записать в нанометрах, но это еще далеко от наномира. Давайте копнем немного
глубже и посмотрим, что мы уже имеем.
Бактерии в среднем имеют размер от 0,5 до 5 микрометров (500-5000 нм).
Вирусы, которые являются злейшими врагами бактерий, еще меньше. Средний
диаметр большинства изученных вирусов составляет от 20 до 300 нм (от 0,02 до
0,3 мкм). Однако диаметр спирали ДНК составляет уже от 1,8 до 2,3 нм.
Считается, что самым маленьким атомом является гелий с радиусом 32 нм
(0,032 нм), а самым большим - цезий с радиусом 225 нм (0,255 нм). В целом,

нанообъекты, которые имеют наноразмерные размеры (1-100 нм) хотя бы в
одном измерении, считаются нанообъектами.
В природе многие процессы происходят на наноуровне, то есть на уровне
атомов и молекул. Конечно, мы можем влиять на то, как они происходят. Но мы
делаем это вслепую. Наномашины - это инструменты для работы в наномире,
устройства, позволяющие нам манипулировать отдельными атомами и
молекулами. До сих пор только природа была способна создавать их и
манипулировать ими. Мы еще на шаг приблизились к тому дню, когда и мы
сможем это делать.
Что мы можем делать с помощью наномашин? Например, в химии. Синтез
соединения основан на создании необходимых условий для протекания
химической реакции. В результате получается вещество. В будущем
химические вещества можно будет создавать относительно механическим
способом. Наномашины могут соединять и разъединять отдельные атомы и
молекулы. В результате могут образовываться химические связи или, наоборот,
разрываться существующие связи. Наномашиностроители могут создавать из
атомов нужные нам молекулярные структуры. Нанороботы-химики смогут
синтезировать химические вещества. Это прорывная технология для создания
материалов с желаемыми свойствами. В то же время это прорывная технология
для защиты окружающей среды. Нетрудно представить, что наномашины - это
идеальный инструмент для переработки отходов, которые обычно трудно
утилизировать. Это особенно верно, когда речь идет о наноматериалах. В
конечном счете, чем больше технический прогресс, тем сложнее окружающей
среде справляться с его последствиями. Новым материалам, изобретенным
человеком, требуется слишком много времени, чтобы разложиться в
естественной среде. Выброшенный пластиковый пакет - продукт бывшей
научно-технической революции, и мы все знаем, сколько времени требуется для
его разложения. А как насчет наноматериалов, которые рано или поздно
превратятся в мусор? С ними будут иметь дело те же наномашины.

Если наномашины - это инструменты наномира, то ими нужно как-то
управлять. Но здесь нет необходимости изобретать что-то радикально новое.
Одна из наиболее вероятных возможностей - беспроводное управление. Первые
шаги в этом направлении уже сделаны. Ученые под руководством Алекса Зеттла
из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли создали радиоприемник из
одной нанотрубки диаметром около 10 нм. Нанотрубка одновременно
выполняет функции антенны, селектора, усилителя и демодулятора. Она
способна принимать как FM, так и AM волны с частотами от 40 до 400 МГц. По
словам разработчиков, устройство может не только принимать радиоволны, но и
передавать их.
Создание материалов с немыслимыми ранее свойствами - еще одна
возможность, открывшаяся благодаря нанотехнологиям. Чтобы
квалифицировать материал как "нано", один или несколько размеров должны
находиться в наномасштабе. Кроме того, материал должен быть изготовлен с
использованием наночастиц или с помощью нанотехнологий. В настоящее
время наиболее удобной классификацией наноматериалов является
классификация по размерам структурных элементов, из которых они состоят.
Пройдет еще немного времени и нанотехнологии – технологии
манипуляции наноразмерными объектами станут привычным явлением. Так же,
как привычными стали технологии микроэлектроники, подарившие нам
компьютеры, мобильные телефоны, спутники и многие другие атрибуты
современной информационной эпохи. Но влияние нанотехнологий на жизнь
будет куда шире. Нас ожидают изменения практически во всех сферах
деятельности человека.

Фотонные технологии обеспечения безопасности (распознавание объектов, детектирование следов веществ, скрытые наблюдения)
В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передачи
наблюдается замещение электронных систем на фотонные. Отсутствие заряда и
массы наделяет фотон свойствами, невозможными для электрона, в результате
чего фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям и
обладают гораздо большей, в сравнении с электронными, дальностью передачи
и шириной занимаемой полосы сигнала.
Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере
телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении —
радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и
волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и
промышленного производства.
Использование оптических сигналов с высокой информационной емкостью
необходимо для развития систем связи нового поколения. Одним из важнейших
требований, предъявляемых к современным системам связи, является
обеспечение секретности и конфиденциальности сообщений. Для того чтобы
защитить открытые (атмосферные, космические) и закрытые (оптоволоконные)
оптические системы связи от несанкционированного доступа, необходима
передача данных отдельными фотонами. В этом случае длительность импульса
лазерного излучения будет порядка пикосекунд или меньше, что позволяет
реализовать системы связи со скоростью передачи данных в несколько тысяч
гигабит в секунду.
Для сбора информации в такой системе рекомендуется использовать
вакуумный одноэлектронный фотодетектор (типа PMT, single-electron dissector),
выход которого подключен к цифровому счетчику, подсчитывающему
количество одноэлектронных импульсов за время длительности
информационного символа Т. Это связано с наличием атмосферных "окон
прозрачности" и распространенных в настоящее время кварцевых оптических
волокон в этом диапазоне длин волн. Фотоприемники на основе

эвакуированных трубок не могут быть использованы для инфракрасного
детектирования, поскольку их спектральная характеристика находится в
видимом диапазоне длин волн (около 0,3-0,7 мкм). Поэтому компромиссное
решение этого противоречия может быть следующим.
- Использовать световод, имеющий "прозрачное окно" в видимом
диапазоне света (световод на основе кремния).
- Повышение частоты излучения путем четырехволнового смешения
стандартных световодов и путем генерации гармоник в световодах. путем
четырехволнового смешения существуют методы и устройства для генерации
холостых частот, спектр которых является передаваемой версией сигнала.
- Частота излучения на выходе волоконно-оптического тракта может быть
увеличена. Передача излучения видимого диапазона через волоконно-
оптические тракты сопряжена со многими трудностями, включая высокие
потери в тракте. В результате оптическое волокно может передавать свет с
длиной волны, близкой к инфракрасному диапазону, а преобразование частоты
на выходе тракта может дать длину волны в видимом или
околоультрафиолетовом диапазоне.
- Связь между космическими объектами (космическими аппаратами,
орбитальными станциями, спутниками и т.д.) в видимом диапазоне длин волн, а
связь с наземными станциями в инфракрасном или микроволновом диапазоне.
Поэтому для защиты информации от несанкционированного
подслушивания в оптических системах связи целесообразно передавать данные
в виде отдельных фотонов. Режим счета фотонов наиболее подходит для
сигналов в видимом диапазоне волн. Именно этот диапазон можно использовать
для дальнейшего расширения полосы пропускания (по сравнению с
инфракрасным излучением), а в качестве фотоприемников можно использовать
вакуумные фотоприемники, которые являются наиболее чувствительными и
малошумными устройствами, доступными на данный момент.