Немецкая премия будущего 2007 года, часть 2

Сегодня мы завершаем начатый неделю назад рассказ об инновационных проектах, вышедших в финал конкурса на соискание Немецкой премии будущего за 2007-й год. Предыдущий выпуск радиожурнала «Наука и техника» был целиком посвящён проекту-победителю, теперь же мы обратимся к трём другим разработкам-финалистам, хоть и не получившим премию, но тем не менее представляющим значительный интерес: все они являются выдающимися инновациями, достойными самой высокой награды.

Начнём с проекта, касающегося производства компьютерных микросхем. Его авторы – Петер Кюрц (Peter Kürz), Мартин Ловиш (Martin Lowisch) и Винфрид Кайзер (Winfried Kaiser) из компании «Carl Zeiss SMT» в Оберкохене. Эта фирма давно специализируется на изготовлении высокоточных оптических систем для полупроводниковой отрасли и является мировым лидером в этой области. И вот теперь группе сотрудников компании удалось разработать совершенно новую систему для ранее не использовавшегося в производстве чипов участка спектра – сверхжёсткого ультрафиолетового излучении.

Как известно, развитие всей полупроводниковой отрасли на протяжении вот уже сорока лет подчиняется закону Мура. Согласно этому эмпирический закону, сформулированному одним из основателей компании «Intel» Гордоном Муром (Gordon Moore) ещё в 1965-м году, вычислительная мощность процессоров удваивается каждые полтора года. До сих пор всё так и было, но производство чипов рано или поздно всё же натолкнётся на непреодолимый барьер, связанный с фундаментальными законами природы и с физическими свойствами полупроводниковых материалов. Рост вычислительной мощности процессоров означает увеличение количества транзисторов на одной микросхеме, что может быть достигнуто лишь уменьшением их линейных размеров и более плотным расположением. Такое усложнение структуры естественно ведёт к дальнейшему усложнению производства чипов. Изготовление современной интегральной микросхемы – это высокоточный фотолитографический процесс, состоящий из нескольких последовательных этапов. Сначала выращивается подложка – монокристалл кремния, из которого вырезается диск диаметром 8, а в последнее время всё чаще 12 дюймов. Затем подложка покрывается тонкой плёнкой двуокиси кремния. Потом на эту подложку наносится слой особого светочувствительного полимера – так называемого фоторезиста. После этого начинается сложнейший процесс создания рисунка будущей полупроводниковой структуры в соответствии с имеющимися наборами специальных шаблонов на пластинах из кварцевого стекла. На профессиональном языке такой трафарет именуется маской. Маска играет в процессе производства микросхем ключевую роль: именно от неё зависит, какие участки будущей микросхемы в процессе ультрафиолетового облучения фоторезиста и последующего химического травления будут удалены, а какие нет. Петер Кюрц поясняет:

Её можно сравнить с диапозитивом. И так же, как на диапозитив, на маску направляется луч света. В результате формируется картинка-проекция. Но только если при просмотре диапозитивов изображение увеличивают, то при экспонировании маски изображение уменьшают – как правило, в 4 раза. Таким образом, структура маски в уменьшенном виде переносится на кремниевую подложку – основу будущего чипа.

Сегодня в полупроводниковой отрасли нормой считаются структурные элементы микропроцессора шириной в 90 нанометров. 45 нанометров – это пока предел. Дальнейшая миниатюризация требует использования в фотолитографии всё более коротковолнового излучения. То есть вместо применяемого сейчас глубокого ультрафиолетового излучения с длиной волны в 193 нанометра вскоре придётся перейти на сверхжёсткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны в 13,5 нанометров. Однако это означает кардинальное изменение технологии производства чипов. Петер Кюрц говорит:

Главная техническая трудность, связанная с переходом на сверхжёсткое ультрафиолетовое излучение, состоит в том, что это излучение поглощается любым твёрдым материалом, из которого могли бы изготовляться линзы, и любой газовой средой. То есть ни стекло, ни воздух для этого излучения не прозрачны. Таким образом, мы вынуждены строить нашу новую оптическую систему не на линзах, а на выпуклых зеркалах, и эксплуатировать её в глубоком вакууме.

Пока, правда, инженерам удаётся придумывать всё новые и новые трюки, которые позволяют отсрочить переход на новую технологию, но долго так продолжаться не может. Винфрид Кайзер говорит:

Технология, опирающаяся на сверхжёсткое ультрафиолетовое излучение, уже в скором будущем станет стандартной в производстве микропроцессоров. Мы полагаем, что эта технология завоюет массовое поточное производство чипов в ближайшее десятилетие. И оборот этого нового рынка составит миллиарды евро.

Ещё бы! – ведь эксперты прогнозируют, что в мире ежегодно будет вступать в строй более ста комплексных производственных систем на базе сверхжёсткого ультрафиолета. Задача, стоявшая перед разработчиками новой технологии, была очень непростой, но они с ней справились, – говорит Петер Кюрц:

Фирма «Carl Zeiss» обладает прекрасной технической базой и богатым опытом разработки высокоточных оптических систем. Однако производство сверхпрецизионных зеркал для сверхжёсткого ультрафиолетового излучения потребовало от нас нового качественного скачка – как в технологии, так и в точности обработки.

Это неудивительно, если иметь в виду, какие требования предъявляет новая технология к оптическим системам. В частности, шероховатость поверхности зеркал для этих систем или отклонения от заданной формы не могут превышать 0,15 нанометра. Чтобы представить себе более наглядно столь высокую степень точности, можно провести такое сравнение: если зеркало увеличить до размеров всей территории Германии, то самая крупная неровность на его поверхности не превысит 1,5 миллиметров. Разработка новой технологии обошлась фирме «Carl Zeiss SMT» в сумму, превышающую 100 миллионов евро. Однако эти затраты с лихвой окупятся, если планы наладить серийное производство чипов со структурными элементами шириной менее 20-ти или даже 10-ти нанометров станут реальностью.

Другой проект-финалист – это совместная разработка фирмы «Evonik Industries» в Эссене и Дуйсбургского университета. Здешним специалистам удалось создать новый композиционный материал с весьма необычными свойствами и благодаря ему усовершенствовать стандартные аккумуляторные батареи. Герхард Хёрпель (Gerhard Hörpel), сотрудник фирмы «Evonik», поясняет:

Изначально наша цель состояла в разработке и производстве мембран – тонких пористых плёнок, применяемых, например, для фильтрации. Однако в процессе испытания этих мембран мы пришли к выводу, что они могут существенно повысить безопасность и эксплуатационные характеристики литий-ионных аккумуляторов.

Инженеры-автомобилестроители уже не первый год работают над созданием электромобилей для массового рынка – экологичных и практичных. Однако всё упирается в аккумуляторы. Так называемые литий-ионные аккумуляторы почти по всем показателям намного превосходят аккумуляторы любого другого типа – им свойственны высокая ёмкость при малой массе и низкий саморазряд, у них нет эффекта памяти. Именно поэтому они получили широкое распространение в мобильных телефонах, плеерах, ноутбуках и так далее. Однако у литий-ионных аккумуляторов есть и один существенный недостаток, препятствующий их применению в автомобилях. Андреас Гуч (Andreas Gutsch) из фирмы «Evonik» говорит:

Используемые сегодня литий-ионные аккумуляторы не способны обеспечить должный уровень безопасности. В определённых условиях может произойти возгорание. Наша цель состояла в том, чтобы с помощью нашей мембраны реализовать совершенно безопасную аккумуляторную батарею.

В литий-ионных аккумуляторах важнейшим элементом конструкции является так называемый сепаратор – тонкая мембрана, разделяющая анод и катод, но пропускающая ионы лития, поток которых и образует электрический ток. Как правило, этот сепаратор выполнен из полимерной плёнки и вполне успешно выполняет свою функцию. Но применение такого аккумулятора в автомобиле предъявляет к мембране повышенные требования, ведь любая более или менее серьёзная авария может сопровождаться столь высокой механической нагрузкой, что сепаратор разрушится. Разрыв мембраны приведёт к короткому замыканию – сперва точечному, но оно вызовет резкий рост температуры и, как следствие, плавление сепаратора, в результате чего площадь замыкания стремительно расширится. В такой ситуации угроза возгорания и пожара становится вполне реальной. Авторам разработки, выдвинутой на соискание Немецкой премии будущего, удалось создать чрезвычайно прочный и термостойкий сепаратор из пористой полимерной ткани с тончайшим керамическим покрытием. Новый материал, получивший торговое название «separion», обладает свойствами, которые никак не вяжутся с привычными представлениями о керамике. Соавтор разработки, профессор Дуйсбургского университета Пауль Рот (Paul Roth) говорит:

Все знают керамические тарелки – они жёсткие, непроницаемые и хрупкие. Ясно, что материал с таким свойствами не годился в качестве сепаратора для литий-ионных аккумуляторов. Нам нужен был гибкий и проницаемый материал, поэтому мы разработали особые керамические наночастицы на основе оксида алюминия, а затем нанесли их на полимерную основу, получив таким образом термостойкую мембрану, проницаемую для ионов лития.

Благодаря нанотехнологиям этот керамический материал настолько гибок, что производится на машинах, напоминающих бумагоделательные, и выпускается скатанным в рулоны. Помимо термостойкости, литий-ионные аккумуляторы с керамическим сепаратором обладают и ещё одним важным достоинством: они выдерживают до 10-ти тысяч циклов заряд/разряд, то есть раз в 20 больше, чем стандартные аккумуляторы с полимерной мембраной. Это открывает новые перспективы не только в автомобилестроении, но и в энергетике, – говорит Герхард Хёрпель:

Этот показатель делает возможным их применение в автомобилях как с гибридным, так и с чисто электрическим приводом. Но нельзя забывать и о такой сфере применения как стационарные накопители энергии. Потребность в таких накопителях очень велика, если речь идёт о ветрогенераторах или о гелиоустановках. И здесь экономичность напрямую зависит от стойкости аккумулятора к циклическим зарядам/разрядам. Это ведь весьма существенная разница – подлежит ли аккумулятор замене раз 4 года, раз в 8 лет или раз в 16 лет.

Первые аккумуляторы с керамическим сепаратором уже в самое ближайшее время планируется установить в автомобили с гибридным приводом.

А теперь мы обратимся к третьему проекту-финалисту. Один из авторов разработки – Нильс Фертиг (Niels Fertig), сотрудник мюнхенской компании «Nanion Technologies», – описывает её суть так:

Наша технология находит применение при разработке медикаментов Она позволяет существенно ускорить проведение испытаний тех биологически активных веществ, которые рассматриваются в качестве потенциальных ингредиентов будущих лекарственных препаратов. Причём наша технология позволяет выявлять и негативные побочные действия этих веществ, что, в конечном счёте, ускоряет и удешевляет разработку новых лекарственных средств.

Помимо сотрудников фирмы «Nanion Technologies» – Нильса Фертига и Андреи Брюггеман (Andrea Brüggemann), – в работе над проектом принимал участие и профессор Фрайбургского университета Ян Берендс (Jan C. Behrends). Важность проекта трудно переоценить: ведь создание нового медикамента продолжается 10-12 лет и обходится в среднем в 800 миллионов долларов. Сегодня поиск биологически активных веществ с нужными свойствами происходит на основе так называемого метода «пэтч-кламп», за разработку которого в 1991-м году двое немецких учёных – Эрвин Неер (Erwin Neher) и Берт Закман (Bert Sakmann) – получили Нобелевскую премию по медицине. Проект, попавший в нынешнем году в финал конкурса на Немецкую премию будущего, является, по сути дела, дальнейшим развитием и совершенствованием этого метода, позволяющего регистрировать и измерять токи в отдельно взятом ионном канале клеточной мембраны. Ионные каналы – это белковые молекулы, погружённые в мембрану и способные открываться и закрываться, пропуская те или иные ионы внутрь клетки или, напротив, преграждая им путь. Нильс Фертиг говорит:

Типичная процедура в ходе фармакологического исследования некоего вещества состоит в том, что сначала сила тока в ионном канале клетки измеряется в отсутствие этого вещества, а потом лаборант добавляет это вещество и смотрит, как оно действует, как меняется сила тока и какая концентрация нужна, чтобы получить нужный результат.

Метод даёт отличные результаты, но его применение связано с огромными затратами времени и сил, – говорит Нильс Фертиг:

Главный недостаток классического метода «пэтч-кламп» при разработке медикаментов состоит в его высокой трудоёмкости. Для измерений требуется сложная аппаратура, все операции должен выполнять опытный лаборант, имеющий соответствующие навыки. Всё это обходится чрезвычайно дорого и занимает уйму времени. Поэтому мы и взялись за миниатюризацию и автоматизацию всей этой процедуры.

В этом и состоит инновация: если раньше лаборант должен был вручную под микроскопом тончайшей пипеткой передвигать каждую отдельную клетку, то теперь вся технология сосредоточена на одном чипе. Нильс Фертиг поясняет:

Наш чип выполнен из стекла – не из кремния, как принято в микроэлектронике, – и имеет тончайшую трёхмерную структуру. Практически это миниатюрное отверстие в центре чипа, в которое клетка автоматически засасывается.

Вместе с измерительной электроникой всё устройство размещено в коробочке размером с пачку сигарет, – говорит Нильс Фертиг:

Так выглядит наша система. Тут держатель, на котором крепится чип. Это делается вручную и занимает буквально несколько секунд, и сразу после этого можно подавать клетки. Затем запускается измерительная программа, и всё происходит автоматически. Исследуемые вещества можно подавать вручную, а можно и в автоматизированном режиме. Вся подготовка клетки к измерению занимает одну минуту.

А само измерение длится от 5-ти до 20-ти минут. При этом лабораторный робот может проводить до 16-ти измерений параллельно, что позволяет испытывать тысячи веществ в день. На фоне такого выигрыша во времени цена полностью автоматизированной системы – 200 тысяч евро – кажется сущим пустяком.