Error: не определено #11234. Для чего нужны нанотехнологии. Нанотехнологии и области их применения. Справка Нанотехнологии определение кратко
Уход и... Инструменты Дизайн ногтей
Развернуть
Главная ›

Для чего нужны нанотехнологии. Нанотехнологии и области их применения. Справка Нанотехнологии определение кратко

Что такое нанотехнологии?

Опубликовано kur в 29 июнь, 2007 - 22:51.

Как не странно звучит этот вопрос в наше время, но отвечать придётся. Хотя бы для себя самого. Общаясь с учёными и специалистами, занятыми в этой отрасли, я пришёл к выводу, что вопрос до сих пор остаётся открытым.

В Википедии кто-то дал такое определение:

Нанотехнология - область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10-9 метра).

В популярной печати используется ещё более простое и доходчивое для обывателя определение:

Нанотехнологии - это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.

(Люблю краткие определения:))

Или вот определение профессора Г. Г. Еленина (МГУ, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН):

Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Да, в общем, всё довольно понятно.. Но вот наш (специально отмечу, отечественный) дотошный скептик скажет: "А что, всякий раз, когда мы растворяем кусочек сахара в стакане чая, мы разве не манипулируем веществом на молекулярном уровне?"

И будет прав. Необходимо добавить к опередению понятия, связанные с "контролем и точностью манипулирования".

Федеральное Агентство по науке и инновациям в "Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года", дает такое определение:

"Нанотехнология - совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результатет этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов".

Ого! Мощно сказано!

Или вот Статс-секретарь Минобрнауки РФ Дмитрий Ливанов определяет нанотехнологии как:

"набор научных, технологических и производственных направлений, которые объединены в единую культуру, основанную на проведении операций с материей на уровне отдельных молекул и атомов".

Простой скептик удовлетворён, но вот скептик-специалист скажет: "А не этими ли самыми нанотехнологиями всё время занимается традиционная химия или молекулярная биология и многие другие направления науки, создавая новые вещества, в которых их свойства и структура определяются определенным образом связанными наноразмерными объектами?"

Что же делать? Мы же понимаем, что такое "нанотехнологии".. чувствуем, можно сказать.. Попробуем добавить к определению ещё пару терминов.

Бритва Оккама
Нанотехнологии: любые технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами.

Кратко и скупо? Дадим пояснения использованным в определении терминам:

"Любые": данные термин призван примирить специалистов разных научно-технологических направлений. С другой стороны, этот термин обязывает контролирующие бюджет развития нанотехнологий организации заботиться о финансировании широкого круга направлений. Включая, конечно и молекулярные биотехнологии. (Без необходимости искусственно притягивать к названию этих направлений приставку "нано-"). Считаю довольно важным термином для ситуации с нанотехнологиями в нашей стране на текущем этапе:).

"Потребительские свойства" (можно, конечно, использовать традиционный термин "Потребительская стоимость" - кому как нравится): создание объектов с использованием таких передовых методов, как контроль и манипулирование веществом на наноуровне, должно придавать какие-либо новые потребительские свойства, либо влиять на цену объектов, в противном случае оно становится бессмысленным.

Понятно также, что, например, нанотрубки, у которых один из линейных размеров лежит в области традиционной размерности, также попадают под это определение. При этом, сами создаваемые объекты могут иметь любые размеры - от "нано" до традиционных.

"Отдельные": наличие этого термина уводит определение от традиционной химии и однозначно требует наличия самого передового научного, метрологического и технологического инструментария, способного обеспечить контроль за отдельными, а при необходимости даже за конкретными нанообъектами. Именно при индивидуальном контроле мы получаем объекты, обладающие потребительской новизной. Можно возразить, что, например, многие из существующих технологий промышленного производства ультрадисперстных материалов не требуют наличия такого контроля, но это только с первого взгляда; на самом же деле сертифицированное производство ультрадисперстных материалов в обязательном порядке требует наличия контроля за размерностью отдельных частиц.

"Контроль" , без "Манипулирования" распостраняет определение на так наз. нанотехнологии "предыдущего поколения".
"Контроль" совместно с "Манипулирова­нием" распространяет определение на перспективные нанотехнологии.

Таким образом, если мы способны найти конкретный наноразмерный объект, проконтролировать и при необходимости изменить его структуру и связи, то это - "нанотехнологии". Если же мы получаем наноразмерные объекты без возможности такого контроля (за конкретными нанообъектами), то это не нанотехнологии или, в лучшем случае, нанотехнологии "предыдущего поколения".

"Наноразмерный объект": атом, молекула, надмолекулярное образование.

В целом, определение пытается связать науку и технологии с экономикой. Т.е. отвечает достижению главных целей программы развития наноиндустрии: созданию технологий, опирающихся на передовые методы исследования и производства, а также коммерциализации полученных достижений.

В общем, пока сам бы я на этом остановился. А вы?

Http://www.nanonewsnet.ru/what-are-the-nanotechnologies

/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:

  • знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм , но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
  • использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

2.Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года » ( г.) нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества , позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм - это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты . В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты .

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология - новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям .

В ходе теоретического исследования данной возможности, появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь » или «серая жижа»).

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул» .

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии » («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology» ) и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation» . Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Фундаментальные положения

Недавно было выяснено, что законы трения в макро- и наномире оказались похожи .

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами ». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей . Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью , зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками , нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD , ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты - материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв .

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

Поскольку многие физические и химические свойства наночастиц, в отличие от объемных материалов, сильно зависят от их размера, в последние годы проявляется значительный интерес к методам измерения размеров наночастиц в растворах: анализ траекторий наночастиц , динамическое светорассеяние , седиментационный анализ , ультразвуковые методы.

Самоорганизация наночастиц

Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия . Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры , способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки , которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул белков . Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК . Берётся комплементарная ДНК (кДНК), к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- - условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы , как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты , то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики , металлургии , эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений - использование веществ - диспергентов , таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Подробнее это рассмотрено в источнике «Organic Additives And Ceramic Processing», D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (англ.).

Новейшие достижения

Наноматериалы

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

  • Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.
  • Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз , карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
  • Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать как детектор молекул (NO 2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему с решением проблемы формирования запрещённой зоны в этом полуметалле графен оказывается перспективным материалом, заменяющим кремний в интегральных микросхемах.
  • Нанокристаллы
  • Аэрографит - самый твёрдый материал
  • Наноаккумуляторы - в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов . Аккумуляторы с Li 4 Ti 5 O 12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане . В марте Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля . В мае успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей .
  • Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса .

Методы исследования

В силу того, что нанотехнология - междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

Сканирующая зондовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия . В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы оптические методики.

Исследования свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводятся на воздухе при атмосферном давлении, в вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики позволяют изучать как проводящие, так и не проводящие объекты. Кроме того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопией и спектральными методами.

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10 −11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов, охлаждение микроскопа позволяет избавиться от термодрейфа.

Для решения задач, связанных с точным измерением топографии, свойств поверхности и с манипуляцией нанообъектами посредством зонда сканирующего атомно-силового микроскопа, была предложена методология особенность-ориентированного сканирования (ООС). ООС подход позволяет в автоматическом режиме реализовать нанотехнологию «снизу-вверх», то есть технологию поэлементной сборки наноустройств. При этом работа производится при комнатной температуре, поскольку ООС в реальном масштабе времени определяет скорость дрейфа и выполняет компенсацию вызываемого дрейфом смещения. На многозондовых инструментах ООС позволяет последовательно применить к нанообъекту любое количество аналитических и технологических зондов, что даёт возможность создавать сложные нанотехнологические процессы, состоящие из большого числа измерительных, технологических и контрольных операций.

Однако, в большинстве случаев нет необходимости манипулировать отдельными атомами или наночастицами и достаточно обычных лабораторных условий для изучения интересующих объектов.

Наномедицина и химическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

  • Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

Компьютеры и микроэлектроника

  • Центральные процессоры - 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора , содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм . В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Основной конкурент Intel , компания AMD , также давно использует для производства своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно с компанией IBM . Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI , препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм .
  • Жёсткие диски - в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта , позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации.
  • Сканирующий зондовый микроскоп - микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер-Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. СЗМ может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение сканирующих зондовых микроскопов зависит от характеристик используемых зондов. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
  • Антенна-осциллятор - 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм . Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц , что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации.
  • Плазмоны - коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале -го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии - наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Робототехника

  • Молекулярные роторы - синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.
  • Молекулярные пропеллеры - наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.
  • С 2006 года в рамках проекта RoboCup (чемпионат по футболу среди роботов) появилась номинация «Nanogram Competition», в которой игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2,5 мм. Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.

Концептуальные устройства

  • Nokia Morph - проект сотового телефона будущего, созданный совместно научно-исследовательским подразделением Nokia и Кембриджским университетом на основе использования нанотехнологических материалов.

Индустрия нанотехнологий

Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть связано с религиозностью , а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов . Особо это актуально для широко разрекламированного коллоидного серебра , свойства и безопасность которого находятся под большим вопросом.

Реакция мирового сообщества на развитие нанотехнологий

Тема последствий развития нанотехнологий становится объектом философских исследований. Так, о перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году международной футурологической конференции Transvision, организованной WTA .

Реакция российского общества на развитие нанотехнологий

26 апреля 2007 года президент России Владимир Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники» . Он предположил, что для большинства россиян нанотехнологии сегодня - «некая абстракция вроде атомной энергии в 30-е годы» .

Затем о необходимости развития нанотехнологий заявляет ряд российских общественных организаций.

8 октября 2008 года было создано «Нанотехнологическое общество России», в задачи которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны»

6 октября 2009 года президент Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию - мировая экономика начинает расти, экспортный потенциал возрастает, и никакие нанотехнологии не нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий был бы для нашей страны просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призываю», - подчеркнул Д. Медведев, обращаясь к участникам форума. При этом президент особо отметил, что «пока эта (государственная) поддержка (бизнеса) носит безалаберный характер, пока мы не смогли ухватить суть этой работы, надо наладить эту работу». Д. Медведев также подчеркнул, что Роснано до 2015 года на эти цели будет выделено 318 млрд рублей. Д. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадрах для нанотехнологий, а также создать госзаказ на инновации и открыть «зеленый коридор» для экспорта высокотехнологичных товаров.

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики .

Нанороботам и их роли в социальном прогрессе посвящена композиция «Nanobots» российской группы Re-Zone.

Нанотехнологии в фантастике

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» ( год) есть любопытный фрагмент:

Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы , считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».

Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле »), С. Лукьяненко («Нечего делить»).

В научно-фантастическом сериале «Звёздные врата: ЗВ-1 » одной из самых технически и социально развитых рас является раса «репликаторов», возникшая в результате неудавшегося опыта Древних с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась » с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает все на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих все на своем пути.

В фильмах "Терминатор 2" и "Терминатор 3" нанотехнологии представлены в виде роботов «Т-1000» и «Тэ-Икс»

Форумы и выставки

Роснано 2010

Первый в России Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech прошел в 2008 году , впоследствии ставший ежегодным. Работа по организации Международного форума по нанотехнологиям проводилась в соответствии с Концепцией, одобренной наблюдательным советом ГК «Роснанотех » 31 января г. и распоряжением Правительства Российской Федерации № 1169-р от 12.08.2008 г. Форум прошел с 3 по 5 декабря г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Форума состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки.

Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и посетителя из России и 32-х зарубежных стран, в том числе:

  • 4048 участника конгрессной части Форума
  • 4212 посетителя выставки
  • 559 стендист
  • 205 представителей СМИ освещали работу Форума

Критика нанотехнологий

Критика нанотехнологий сосредоточилась в основном в двух направлениях:

См. также

  • Spinhenge@home - проект распределённых вычислений в области нанотехнологий (Молекулярные магниты: Наноуровень управления магнетизмом)
  • Изучение влияния нанотехнологии (англ. )

Литература

  • Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. - М .: Бином, 2011. - С. 96.
  • Головин Ю.И. Наномир без формул. - М .: Бином, 2012. - С. 543.
  • Гудилин Е.А. и др. Богатство наномира. Фоторепортаж из глубин вещества. - М .: Бином, 2009. - С. 176.
  • Деффейс К., Деффейс С. Удивительные наноструктуры / пер. с англ.. - М .: Бином, 2011. - С. 206.
  • К. Жоаким, Л. Плевер. Нанонауки. Невидимая революция. - М.: КоЛибри, 2009. Глава из книги
  • Малинецкий Г. Г. Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше// Интеграл. 2007, № 5, с.4-5.
  • Марк Ратнер, Даниэль Ратнер Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи = Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. - М .: «Вильямс», 2006. - С. 240. - ISBN 0-13-101400-5
  • Хартманн У. Очарование нанотехнологии / пер. с нем. – 2-е изд.. - М .: Бином, 2010. - С. 173.
  • Эрлих Г. Малые объекты – большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии.. - М .: Бином, 2011. - С. 254.

Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

История

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.

Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».

На что способны нанотехнологии?

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.

  • ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
  • Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
  • Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

10 нанотехнологий с удивительным потенциалом

Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.

Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.

Электропроводимый жидкий металл

За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».

«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.

Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.

Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.

Нанопластыри

Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.

Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.

Нанофильтр для воды

При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.

Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.

Очиститель воздуха для подводных лодок

Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.

Нанопроводники

Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.

Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.

Нанотехнологическое зарядное устройство

Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.

Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.

Искусственная сетчатка

Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.

Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.

Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.

Светящаяся одежда

Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.

Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.

Наноиглы для восстановления внутренних органов

Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.

Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.

Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.

Трехмерная химическая печать

Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.

Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.

Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.

Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?

Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».

Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».

Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).

Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.

В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.

Природа непрерывна, а любое определение требует установления каких-то границ. Поэтому формулировка определений - достаточно неблагодарное занятие. Тем не менее это надо делать, так как четкое определение позволяет отделить одно явление от другого, выявить существенные различия между ними и таким образом глубже понять сами явления. Поэтому целью этого эссе является попытка разобраться в значении модных сегодня терминов c приставкой «нано» (от греческого слова «карлик») - «нанонаука», «нанотехнология», «нанообъект», «наноматериал».

Несмотря на то что эти вопросы с той или иной степенью глубины неоднократно обсуждались в специальной и научно-популярной литературе, анализ литературы и личный опыт показывают, что до сих пор в широких научных кругах, не говоря уже о ненаучных, нет четкого понимания как самой проблемы, так и определений. Именно поэтому мы постараемся дать определения всем перечисленным выше терминам, акцентируя внимание читателя на значении базового понятия «нанообъект». Мы приглашаем читателя к совместному размышлению о том, существует ли нечто, принципиально отличающее нанообъекты от их более крупных и более мелких «собратьев», «населяющих» окружающий нас мир. Более того, мы предлагаем ему самому принять участие в серии мысленных экспериментов по конструированию наноструктур и их синтезу. Мы также попытаемся продемонстрировать, что именно в наноразмерном интервале происходит изменение характера физических и химических взаимодействий, причем происходит это именно на том же участке размерной шкалы, где проходит граница между живой и неживой природой.

Но сначала - откуда всё это появилось, почему была введена приставка «нано», что является определяющим при отнесении материалов к наноструктурам, почему нанонаука и нанотехнологии выделяются в отдельные области, что в этом выделении относится (и относится ли) к действительно научным основам?

Что такое «нано» и откуда всё началось

Это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т. е. поделена на единицу с девятью нулями - 1 000 000 000. Например, 1 нанометр - это миллиардная часть метра (1 нм = 10 –9 м). Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент (рис. 1). Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 × 10 6 м ≈ 10 7 м) в 100 миллионов (10 8) раз, то получим примерно 10 –1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча - 22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 × 10 –1 м ≈ 10 –1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10 8) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм (приблизительно диаметр углеродной молекулы фуллерена C 60 , по своей форме похожего на футбольный мяч - см. рис. 1).

Примечательно, что приставка «нано» использовалась в научной литературе довольно давно, но для обозначения далеко не нанообъектов. В частности для объектов, размер которых в миллиарды раз превышает 1 нм - в терминологии динозавров. Нанотиранозаврами (nanotyrranus ) и нанозаврами (nanosaurus ) называются карликовые динозавры, размеры которых составляют соответственно 5 и 1,3 м. Но они действительно «карлики» по сравнению с другими динозаврами, размеры которых превышают 10 м (до 50 м), а вес может достигать 30–40 т и более. Этот пример подчеркивает, что сама по себе приставка «нано» не несет физического смысла, а лишь указывает на масштаб.

Но теперь с помощью этой приставки обозначают новую эру в развитии технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, - эру нанотехнологий.

Очень часто считается, что начало нанотехнологической эре положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции "There"s Plenty of Room at the Bottom " («Там внизу - много места»). Основной постулат этой лекции заключался в том, что с точки зрения фундаментальных законов физики автор не видит никаких препятствий к работе на молекулярном и атомном уровнях, манипулировании отдельными атомами или молекулами. Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т. е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами.

Справедливости ради, однако, следует отметить, что Фейнман не первый это придумал. В частности, идея создания последовательно уменьшающихся в размере манипуляторов была высказана еще в 1931 г. писателем Борисом Житковым в его фантастическом рассказе «Микроруки». Не можем удержаться и не привести небольшие цитаты из этого рассказа, чтобы дать читателю самому по достоинству оценить прозрение писателя:

«Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих - пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал...
Но мне вдруг ударила в голову мысль: а ведь я могу сделать микроруки к моим маленьким рукам. Я могу для них сделать такие же перчатки, как я сделал для своих живых рук, такой же системой соединить их с ручками в десять раз меньше моих микрорук, и тогда... у меня будут настоящие микроруки, уже в двести раз они будут мельчить мои движения. Этими руками я ворвусь в такую мелкоту жизни, которую только видели, но где еще никто не распоряжался своими руками. И я взялся за работу...
Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах - кажется, что уж нет никаких размеров, до того всё невообразимо мелко».

Но дело не только в литературных предсказаниях. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями, если угодно, человек давно использовал в своей жизни. Один из наиболее ярких примеров (в прямом и переносном смыслах) - это разноцветные стекла. Например, созданный еще IV веке н. э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском музее, при освещении снаружи - зеленый, но если освещать его изнутри - то он пурпурно-красный. Как показали недавние исследования с помощью электронной микроскопии, этот необычный эффект обусловлен наличием в стекле наноразмерных частиц золота и серебра. Поэтому можно смело утверждать, что кубок Ликурга сделан из нанокомпозитного материала.

Как выясняется теперь, в Средние века металлическую нанопыль часто добавляли в стекло для изготовления витражей. Вариации окраски стекол зависят от различий добавляемых частиц - природы используемого металла и размера его частиц. Недавно было установлено, что эти стекла обладают еще и бактерицидными свойствами, т. е. не только дают красивую игру света в помещении, но и дезинфицируют среду.

Если рассматривать историю развития науки в историческом плане, то можно выделить, с одной стороны, общий вектор - проникновение естественных наук «вглубь» материи. Движение по этому вектору определяется развитием средств наблюдения. Сначала люди изучали обычный мир, для наблюдения которого не надо было особых приборов. При наблюдениях на этом уровне заложены основы биологии (классификация мира живого, К. Линней и др.), была создана теория эволюции (Ч. Дарвин, 1859 г.). Когда появился телескоп, люди смогли проводить астрономические наблюдения (Г. Галилей, 1609 г.). Результатом этого явились закон Всемирного тяготения и классическая механика (И. Ньютон, 1642–1727 гг.). Когда появился микроскоп Левенгука (1674 г.), люди проникли в микромир (размерный интервал 1 мм - 0,1 мм). Сначала это было только созерцание мелких, не видимых глазом организмов. Лишь в конце XIX века Л. Пастер первым выяснил природу и функции микроорганизмов. Примерно в это же время (конец XIX - начало XX века) происходила революция в физике. Ученые стали проникать внутрь атома, изучать его строение. Опять-таки это было связано с появлением новых методов и инструментов, в качестве которых стали применять мельчайшие частицы вещества. В 1909 г. используя альфа-частицы (ядра гелия, имеющие размер порядка 10 –13 м) Резерфорду удалось «увидеть» ядро атома золота. Созданная на основе этих опытов планетарная модель атома Бора-Резерфорда дает наглядный образ огромности «свободного» места в атоме, вполне сравнимого с космической пустотой Солнечной системы. Именно пустоты таких порядков имел в виду Фейнман в своей лекции. При помощи тех же α-частиц в 1919 г. Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция по превращению азота в кислород. Так физики вошли в пико- и фемторазмерные интервалы , и понимание строения материи на атомном и субатомном уровнях привело в первой половине прошлого века к созданию квантовой механики.

Мир потерянных величин

Исторически случилось так, что на размерной шкале (рис. 2) были «перекрыты» практически все размерные области исследований, кроме области наноразмеров. Однако мир не без прозорливых людей. Еще в начале XX века В. Оствальд опубликовал книгу «Мир обойденных величин», в которой шла речь о новой в то время области химии - коллоидной химии, которая и имела дело именно с частицами нанометровых размеров (хотя тогда еще этот термин не употреблялся). Уже в этой книге он отмечал, что дробление материи в какой-то момент приводит к новым свойствам, что от размера частицы зависят свойства и всего материала.

В начале ХХ века еще не умели «видеть» частицы такого размера, так как они лежат ниже пределов разрешимости светового микроскопа. Поэтому не случайно одной из начальных вех появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 г. электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло «видеть» объекты субмикронных и нанометровых размеров. И тогда всё становится на свои места - основной критерий, по которому человечество принимает (или не принимает) какие-либо новые факты и явления, выражен в словах Фомы неверующего: «Пока не увижу, не поверю».

Следующий шаг был сделан в 1981 г. - Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой говорил в своей лекции Р. Фейнман. Вот именно тогда и наступила эра нанотехнологий.

Отметим, что и здесь мы опять имеем дело с одной и той же историей. Опять потому, что для человечества вообще свойственно не обращать внимания на то, что хоть немного, но обгоняет свое время. Вот и на примере нанотехнологий выясняется, что ничего нового не открыли, просто стали лучше понимать то, что происходит вокруг, то, что даже в древности люди уже делали, пусть и неосознанно, вернее, осознанно (знали, что хотели получить), но не понимая физики и химии явления. Другой вопрос, что наличие технологии еще далеко не означает понимания сути процесса. Сталь умели варить давно, но понимание физических и химических основ сталеварения пришло значительно позже. Тут можно вспомнить, что секрет дамасской стали не открыт до сих пор. Здесь уже другая ипостась - знаем, что надо получить, но не знаем, как. Так что взаимоотношения науки и технологии далеко не всегда просты.

Кто же первым занялся наноматериалами в их современном понимании? В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Он сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил ее в серии работ 1981–1986 гг., ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для изменения свойств твердых тел.

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х - начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода - фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.

Но вернемся к определениям.

Первые определения: всё очень просто

Сначала всё было очень просто. В 2000 г. президент США Б. Клинтон подписал документ «National Nanotechnology Initiative » («Национальная нанотехнологическая инициатива»), в котором приведено следующее определение: к нанотехнологиям относятся создание технологий и исследования на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях в пределах примерно от 1 до 100 нм для понимания фундаментальных основ явлений и свойств материалов на уровне наноразмеров, а также создание и использование структур, оборудования и систем, обладающих новыми свойствами и функциями, определяемыми их размерами.

В 2003 г. правительство Великобритании обратилось в Royal Society и Royal Academy of Engineering с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties » появился в июле 2004 г., и в нем, насколько нам известно, впервые были даны отдельно определения нанонауки и нанотехнологий:

Нанонаука - это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.
Нанотехнологии - это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне.

Таким образом, под термином «нанотехнология» понимается совокупность технологических приемов, позволяющая создавать нанообъекты и/или манипулировать ими. Остается только дать определение нанообъектам. Но вот это, оказывается, не так просто, поэтому бОльшая часть статьи посвящена именно этому определению.

Для начала приведем формальное определение, наиболее широко используемое в настоящее время:

Нанообъектами (наночастицами ) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению.

Вроде бы всё хорошо и понятно, неясно только, почему дано столь жесткое определение нижнего и верхнего пределов в 1 и 100 нм? Похоже, что выбрано это волюнтаристски, особенно подозрительно назначение верхнего предела. Почему не 70 или 150 нм? Ведь, учитывая всё многообразие нанообъектов в природе, границы наноучастка размерной шкалы могут и должны быть существенно размыты. И вообще в природе проведение любых точных границ невозможно - одни объекты плавно перетекают в другие, и происходит это в определенном интервале, а не в точке.

Прежде чем говорить о границах, попробуем понять, какой физический смысл содержится в понятии «нанообъект», почему его надо выделять отдельной дефиницией?

Как уже отмечалось выше, только в конце XX века начало появляться (вернее, утверждаться в умах) понимание того, что наноразмерный интервал строения материи всё-таки имеет свои особенности, что на этом уровне вещество обладает иными свойствами, которые не проявляются в макромире. Очень трудно переводить некоторые английские термины на русский язык, но в английском есть термин «bulk material », что приблизительно можно перевести как «большое количество вещества», «объемное вещество», «сплошная среда». Так вот некоторые свойства «bulk materials » при уменьшении размера составляющих его частиц могут начать изменяться при достижении определенного размера. В этом случае говорят, что происходит переход к наносостоянию вещества, наноматериалам.

А происходит это потому, что при уменьшении размера частиц доля атомов, расположенных на их поверхности, и их вклад в свойства объекта становятся существенными и растут с дальнейшим уменьшением размеров (рис. 3).

Но почему увеличение доли поверхностных атомов существенно влияет на свойства частиц?

Так называемые поверхностные явления известны давно - это поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность, смачивание, адсорбция, адгезия и др. Вся совокупность этих явлений обусловлена тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности (рис. 4). Другими словами, атомы на поверхности (кристалла или жидкости - это не важно) находятся в особых условиях. Например, в кристаллах силы, заставляющие их находиться в узлах кристаллической решетки, действуют на них только снизу. Поэтому свойства этих «поверхностных» атомов отличаются от свойств этих же атомов в объеме.

Так как в нанообъектах число поверхностных атомов резко возрастает (рис. 3), то их вклад в свойства нанообъекта становится определяющим и растет с дальнейшим уменьшением размера объекта. Именно это и является одной из причин проявления новых свойств на наноуровне.

Другой причиной обсуждаемого изменения свойств является то, что на этом размерном уровне начинает уже проявляться действие законов квантовой механики, т. е. уровень наноразмеров - это уровень перехода, именно перехода, от царствования классической механики к царствованию механики квантовой. А как хорошо известно, самое непредсказуемое - это именно переходные состояния.

К середине XX века люди научились работать как с массой атомов, так и с одним атомом.

Впоследствии стало очевидно, что «маленькая кучка атомов» - это что-то иное, не совсем похожее ни на массу атомов, ни на отдельный атом.

Впервые, вероятно, ученые и технологи вплотную столкнулись с этой проблемой в физике полупроводников. В своем стремлении к миниатюризации они дошли до таких размеров частиц (несколько десятков нанометров и менее), при которых их оптические и электронные свойства стали резко отличаться от таковых для частиц «обычных» размеров. Именно тогда стало окончательно понятно, что шкала «наноразмеров» - это особая область, отличная от области существования макрочастиц или сплошных сред.

Поэтому в приведенных выше определениях нанонауки и нанотехнологий наиболее существенным является указание на то, что «настоящее нано» начинается с момента появления новых свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам и отличающихся от свойств объемных материалов. То есть существеннейшим и важнейшим качеством наночастиц, основным отличием их от микро- и макрочастиц является появление у них принципиально новых свойств, не проявляющихся при других размерах. Мы уже приводили литературные примеры, используем этот прием еще раз для того, чтобы наглядно показать и подчеркнуть различия между макро-, микро- и нанообъектами.

Вернемся к литературным примерам. Часто в качестве «раннего» нанотехнолога упоминается герой повести Лескова Левша. Однако это неправильно. Основное достижение Левши - это то, что он выковал маленькие гвозди [«я мельче этих подковок работал: я гвоздики выковывал, которыми подковки забиты, там уже никакой мелкоскоп взять не может »]. Но эти гвозди, хоть и очень маленькие, остались гвоздями, не потеряли своей основной функции - удерживать подкову. Так что пример с Левшой - это пример миниатюризации (если угодно, микроминиатюризации), т. е. уменьшения размеров предмета без изменения его функциональных и других свойств.

А вот уже упоминавшийся рассказ Б. Житкова описывает как раз именно изменение свойств:

«Мне нужно было вытянуть тонкую проволоку - то есть той толщины, какая для моих живых рук была бы как волос. Я работал и глядел в микроскоп, как протягивали медь микроруки. Вот тоньше, тоньше - еще осталось протянуть пять раз - и тут проволока рвалась. Даже не рвалась - она рассыпалась, как сделанная из глины. Рассыпалась в мелкий песок. Это знаменитая своей тягучестью красная медь».

Отметим, что в Wikipedia в статье про нанотехнологии как раз увеличение жесткости меди приводится в качестве одного из примеров изменения свойств при уменьшении размеров. (Интересно, откуда узнал про это Б. Житков в 1931 г.?)

Нанобъекты: квантовые плоскости, нити и точки. Наноструктуры углерода

В конце XX века окончательно стало очевидно существование определенной области размеров частиц вещества - область наноразмеров. Физики, уточняя определение нанообъектов, утверждают, что верхний предел наноучастка размерной шкалы совпадает, по всей видимости, с размером проявления так называемых низкоразмерных эффектов или эффекта понижения размерности.

Попытаемся сделать обратный перевод последнего утверждения с языка физиков на общечеловеческий язык.

Мы живем в трехмерном мире. Все окружающие нас реальные предметы имеют те или иные размеры во всех трех измерениях, или, как говорят физики, обладают размерностью 3.

Проведем следующий мысленный эксперимент. Выберем трехмерный, объемный, образец какого-нибудь материала, лучше всего - однородный кристалл. Пусть это будет кубик с длиной ребра в 1 см. Этот образец обладает определенными физическими свойствами, не зависящими от его размеров. Вблизи внешней поверхности нашего образца свойства могут отличаться от таковых в объеме. Однако относительная доля поверхностных атомов мала, и поэтому вкладом поверхностного изменения свойств можно пренебречь (именно это требование означает на языке физиков, что образец объемный ). Теперь разделим кубик пополам - два его характерных размера останутся прежними, а один, пусть это будет высота d , уменьшится в 2 раза. Что произойдет со свойствами образца? Они не изменятся. Повторим этот эксперимент еще раз и измерим интересующее нас свойство. Мы получим тот же результат. Неоднократно повторяя эксперимент, мы наконец дойдем до некоторого критического размера d *, ниже которого измеряемое нами свойство начнет зависеть от размера d . Почему? При d ≤ d * доля вклада поверхностных атомов в свойства становится существенной и будет продолжать расти с дальнейшим уменьшением d.

Физики говорят что при d ≤ d * в нашем образце наблюдается квантово-размерный эффект в одном измерении. Для них наш образец не является больше трехмерным (что для любого обычного человека звучит абсурдно, ведь наше d хоть и мало, но не равно нулю!), его размерность понижена до двух. А сам образец называется квантовой плоскостью, или квантовой ямой, по аналогии с часто употребляемым в физике термином «потенциальная яма».

Если в неком образце d ≤ d * в двух измерениях, то его называют одномерным квантовым объектом, или квантовой нитью, или квантовым проводом. У нуль-мерных объектов, или квантовых точек, d ≤ d * во всех трех измерениях.

Естественно, что критический размер d * не является постоянной величиной для разных материалов и даже для одного материала может существенно варьироваться в зависимости от того, какое из свойств мы измеряли в нашем эксперименте, или, говоря другими словами, какая из критических размерных характеристик физических явлений определяет данное свойство (свободный пробег электронов фононов, длина волны де Бройля, длина диффузии, глубина проникновения внешнего электромагнитного поля или акустических волн и пр.).

Однако оказывается, что при всём многообразии явлений, происходящих в органических и неорганических материалах в живой и неживой природе, величина d * лежит примерно в интервале 1–100 нм. Таким образом, «нанообъект» («наноструктура», «наночастица») - это просто другой вариант термина «квантово-размерная структура». Это объект, у которого d ≤ d * по крайней мере в одном измерении. Это частицы пониженной размерности, частицы с повышенной долей поверхностных атомов. А значит, классифицировать их логичнее всего по степени снижения размерности: 2D - квантовые плоскости, 1D - квантовые нити, 0D - квантовые точки.

Весь спектр сниженных размерностей можно легко объяснить и главное - экспериментально наблюдать на примере углеродных наночастиц.

Открытие наноструктур углерода явилось очень важной вехой в развитии концепции наночастиц.

Углерод - всего лишь одиннадцатый по распространенности в природе элемент, однако благодаря уникальной способности его атомов соединяться друг с другом и образовывать длинные молекулы, включающие в качестве заместителей и другие элементы, возникло громадное множество органических соединений, да и сама Жизнь. Но, даже соединяясь только сам с собой, углерод способен порождать большой набор различных структур с весьма разнообразными свойствами - так называемых аллотропных модификаций. Алмаз, например, является эталоном прозрачности и твердости, диэлектриком и теплоизолятором. Однако графит - идеальный «поглотитель» света, сверхмягкий материал (в определенном направлении), один из лучших проводников тепла и электричества (в плоскости, перпендикулярной вышеназванному направлению). А ведь оба этих материала состоят только из атомов углерода!

Но всё это на макроуровне. А переход на наноуровень открывает новые уникальные свойства углерода. Оказалось, что «любовь» атомов углерода друг к другу настолько велика, что они могут без участия других элементов образовывать целый набор наноструктур, отличающихся друг от друга, в том числе и размерностью. В их число входят фуллерены, графен, нанотрубки, наноконы и т. п. (рис. 5).

Отметим при этом, что наноструктуры углерода можно назвать «истинными» наночастицами, так как в них, как хорошо видно на рис. 5, все составляющие их атомы лежат на поверхности.

Но вернемся к самому графиту. Итак, графит - самая распространенная и термодинамически стабильная модификация элементарного углерода с трехмерной кристаллической структурой, состоящей из параллельных атомных слоев, каждый из которых представляет собой плотную упаковку шестиугольников (рис. 6). В вершинах любого такого шестиугольника расположен атом углерода, а стороны шестиугольников графически отражают прочные ковалентные связи между атомами углерода, длина которых составляет 0,142 нм. А вот расстояние между слоями достаточно велико (0,334 нм), и поэтому связь между слоями достаточно слабая (в этом случае говорят о ван-дер-ваальсовом взаимодействии ).

Такая кристаллическая структура и объясняет особенности физических свойств графита. Во-первых, низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки. Так, например, пишут грифели карандашей, графитовые чешуйки которых, отслаиваясь, остаются на бумаге. Во-вторых, уже упоминавшуюся ярко выраженную анизотропию физических свойств графита и прежде всего его электрической проводимости и теплопроводности.

Любой из слоев трехмерной структуры графита можно рассматривать как гигантскую плоскостную структуру, имеющую размерность 2D. Такая двумерная структура, построенная только из атомов углерода, получила название «графен». Получить такую структуру «относительно» легко, во всяком случае, в мысленном эксперименте. Возьмем графитовый карандашный грифель и начнем писать. Высота грифеля d будет уменьшаться. Если хватит терпения, то в какой-то момент величина d сравняется с d *, и мы получим квантовую плоскость (2D).

Долгое время проблема стабильности плоских двумерных структур в свободном состоянии (без подложки) в общем и графена в частности, а также электронные свойства графена были предметом только теоретических исследований. Совсем недавно, в 2004 г., группой физиков во главе с А. Геймом и К. Новосёловым были получены первые образцы графена, что произвело революцию в этой области, так как такие двумерные структуры оказались, в частности, способными проявлять поразительные электронные свойства, качественно отличающиеся от всех прежде наблюдаемых. Поэтому сегодня сотни экспериментальных групп и исследуют электронные свойства графена.

Если свернуть графеновый слой, моноатомный по толщине, в цилиндр таким образом, чтобы гексагональная сетка атомов углерода замкнулась без швов, то мы «сконструируем» одностенную углеродную нанотрубку. Экспериментально можно получать одностенные нанотрубки диаметром от 0,43 до 5 нм. Характерными особенностями геометрии нанотрубок являются рекордные значения удельной поверхности (в среднем ~1600 м 2 /г для одностенных трубок) и отношения длины к диаметру (100 000 и выше). Таким образом, нанотрубки представляют собой 1D нанообъект - квантовые нити.

В экспериментах наблюдались также и многостенные углеродные нанотрубки (рис. 7). Они состоят из коаксиальных цилиндров, вставленных один в другой, стенки которых находятся на расстоянии (около 3,5 Å), близком к межплоскостному расстоянию в графите (0,334 нм). Количество стенок может варьироваться от 2 до 50.

Если же поместить кусок графита в атмосферу инертного газа (гелия или аргона) и затем осветить лучом мощного импульсного лазера или концентрированного солнечного света, то можно испарить материал нашей графитовой мишени (заметим, что для этого температура поверхности мишени должна быть как минимум 2700°C). В таких условиях над поверхностью мишени образуется плазма, состоящая из индивидуальных атомов углерода, которые увлекаются потоком холодного газа, что приводит к охлаждению плазмы и образованию кластеров углерода. Так вот, оказывается, что при определенных условиях кластеризации атомы углерода замыкаются с образованием каркасной сферической молекулы C 60 размерностью 0D (т. е. квантовая точка), уже показанной на рис. 1.

Такое самопроизвольное образование молекулы C 60 в углеродной плазме было обнаружено в совместном эксперименте Г. Крото, Р. Кёрла и Р. Смоли, проведенном в течение десяти дней в сентябре 1985 г. Отошлем любознательного читателя к книге Е. А. Каца «Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей», подробно описывающей увлекательную историю этого открытия и события, ему предшествующие (с краткими экскурсами в историю науки вплоть до эпохи Возрождения и даже Античности), а также объясняющей мотивацию странного на первый взгляд (и только на первый взгляд) названия новой молекулы - бакминстерфуллерен - в честь архитектора Р. Бакминстера Фуллера (см. также книгу [Пиотровский, Киселев, 2006]).

Впоследствии было обнаружено, что существует целое семейство углеродных молекул - фуллеренов - в форме выпуклых многогранников, состоящих только из шестиугольных и пятиугольных граней (рис. 8).

Именно открытие фуллеренов явилось своеобразным волшебным «золотым ключиком» в новый мир нанометровых структур из чистого углерода, вызвало взрыв работ в этой области. К настоящему времени обнаружено большое количество различных углеродных кластеров с фантастическим (в прямом смысле этого слова!) разнообразием структуры и свойств.

Но вернемся к наноматериалам.

Наноматериалами называются материалы, структурными единицами которых являются нанообъекты (наночастицы). Образно говоря, здание наноматериала сложено из кирпичей-нанообъектов. Поэтому классифицировать наноматериалы продуктивнее всего по размерности как самого образца наноматериала (внешних размеров матрицы), так и по размерности составляющих его нанообъектов. Наиболее подробная классификация такого рода приведена в работе . Представленные в этой работе 36 классов наноструктур описывают всё многообразие наноматериалов, некоторые из которых (как указанные выше фуллерены или углеродный наногорох) уже успешно синтезированы, а некоторые всё еще ждут своей экспериментальной реализации.

Почему всё не так просто

Итак, мы можем строго определить интересующие нас понятия «нанонаука», «нанотехнология» и «наноматериалы» только в том случае, если понимаем, что такое «нанобъект».

«Нанообъект» же, в свою очередь, имеет два определения. Первое, более простое (технологическое): это объекты (частицы) с характерным размером приблизительно в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению. Второе определение, более научное, физическое: объект с пониженной размерностью (у которого d ≤ d * по крайней мере в одном измерении).

Других определений, насколько нам известно, не имеется.

Не может не бросаться в глаза, однако, тот факт, что и научное определение обладает серьезным недостатком. А именно: в нем, в отличие от технологического, определяется только верхний предел наноразмеров. Должен ли существовать нижний предел? По нашему мнению, конечно, должен. Первая причина существования нижнего предела непосредственно вытекает из физической сущности научного определения нанообъекта, так как большинство обсуждавшихся выше эффектов понижения размерности являются эффектами квантового ограничения, или явлениями резонансной природы. Иными словами, они наблюдаются при совпадении характерных длин эффекта и размеров объекта, т. е. не только для d ≤ d *, что уже обсуждалось, но в то же время только если размер d превышает некий нижний предел d ** (d ** ≤ d ≤ d *). При этом очевидно, что величина d* может варьироваться для разных явлений, но должна превышать размеры атомов.

Проиллюстрируем сказанное на примере соединений углерода. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) типа нафталина, бензпирена, хризена и т. п. являются формально аналогами графена. Более того, самый большой из известных ПАУ имеет общую формулу C 222 H 44 и содержит 10 бензольных колец по диагонали. Однако они не обладают теми удивительными свойствами, которыми обладает графен, и их нельзя рассматривать как наночастицы. То же самое относится и к наноалмазам: до ~ 4–5 нм это наноалмазы, но близко к этим границам, и даже заходя за них, подходят высшие диамандоиды (аналоги адамантана, имеющие конденсированные алмазные ячейки в качестве основы структуры).

Итак: если в пределе размер объекта по всем трем измерениям будет равен размеру атома, то, например, кристалл, сложенный из таких 0-мерных объектов будет не наноматериалом, а обычным атомарным кристаллом. Это очевидно. Как очевиден и тот факт, что количество атомов в нанообъекте должно всё-таки превосходить единицу. Если у нанобъекта все три значения d меньше, чем d**, он престает им быть. Такой объект надо описывать на языке описания индивидуальных атомов.

А если не все три размера, а только один, например? Остается ли такой объект нанообъектом? Конечно, да. Таким объектом является, например, уже не раз упоминавшийся графен. То, что характерный размер графена в одном измерении равен диаметру атома углерода, не лишает его свойств наноматериала. И свойства эти абсолютно уникальны. Были измерены проводимость, эффект Шубникова - де Гааза, квантовый эффект Холла в графеновых пленках атомарной толщины. Эксперименты подтвердили, что графен - полупроводник с нулевой шириной запрещенной зоны, при этом в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают частицы с нулевой эффективной массой, в частности фотоны, нейтрино, релятивистские частицы. Отличие фотонов и безмассовых носителей в графене состоит в том, что последние являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов Дирака среди известных элементарных частиц нет. Сегодня графен представляет огромный интерес как для проверки множества теоретических предположений из областей квантовой электродинамики и теории относительности, так и для создания новых устройств наноэлектроники, в частности баллистического и одноэлектронного транзисторов.

Для нашей дискуссии весьма важно, что наиболее близким к понятию нанообъекта является размерный участок, на котором реализуются так называемые мезоскопические явления. Это минимальный размерный участок, для которого резонно говорить не о свойствах индивидуальных атомов или молекул, а о свойствах материала в целом (например, при определении температуры, плотности или проводимости материала). Мезоскопические размеры как раз попадают в интервал 1–100 нм. (Приставка «мезо-» происходит от греческого слова «средний», промежуточный - между атомарными и макроскопическими размерами.)

Всем известно, что психология занимается поведением индивидуумов, а социология - поведением больших групп людей. Так вот, отношения в группе из 3–4 человек можно по аналогии охарактеризовать как мезоявления. Точно так же, как уже упоминалось выше, маленькая кучка атомов - это что-то не похожее ни на «кучу» атомов, ни на отдельный атом.

Тут следует отметить еще одну важную особенность свойств нанообъектов. Несмотря на то, что в отличие от графена углеродные нанотрубки и фуллерены являются формально 1- и 0-мерными объектами соответственно, по существу это не совсем так. Вернее, так и не так одновременно. Дело в том, что нанотрубка - это тот же графеновый 2D одноатомный слой, свернутый в цилиндр. А фуллерен - это углеродный 2D слой одноатомной толщины, замкнутый по поверхности сферы. То есть свойства нанообъектов существенно зависят не только от их размеров, но и от топологических характеристик - попросту говоря, от их формы.

Итак, правильное научное определение нанообъекта должно быть следующим:

это объект, у которого хотя бы один из размеров ≤ d *, при этом хотя бы один из размеров превышает d**. Иными словами, объект достаточно велик, чтобы обладать макросвойствами вещества, но в то же время характеризуется пониженной размерностью, т. е. хотя бы по одному из измерений достаточно мал, чтобы значения этих свойств сильно отличались от соответствующих свойств макрообъектов из этого же вещества, существенно зависели от размеров и формы объекта. При этом точные значения размеров d * и d** могут варьироваться не только от вещества к веществу, но и для разных свойств одного и того же вещества.

То, что эти соображения отнюдь не являются схоластическими (типа «со скольких песчинок начинается куча?»), а имеют глубокий смысл для понимания единства науки и непрерывности окружающего нас мира, становится очевидным, если мы обратим свой взор на нанообъекты органического происхождения.

Нанообъекты органической природы - супрамолекулярные структуры

Выше мы рассматривали только неорганические относительно однородные материалы, и уже там всё было не так просто. Но на Земле есть колоссальное количество материи, которую не просто трудно, а нельзя назвать однородной. Речь идет о биологических структурах и вообще о Живой материи.

В «Национальной нанотехнологической инициативе» в качестве одной из причин особого интереса к области наноразмеров указывается:

так как системная организация материи на наноуровне является ключевой особенностью биологических систем, нанонаука и технология дадут возможность включать в клетки искусственные компоненты и ансамбли, создавая тем самым новые структурно организованные материалы на основе подражания методам самосборки в природе.

Попробуем теперь разобраться, какой смысл имеет понятие «наноразмер» в приложении к биологии, памятуя о том, что при переходе к этому размерному интервалу должны принципиально или резко изменяться свойства. Но сначала вспомним, что к нанообласти можно подойти двумя путями: «сверху вниз» (дробление) или «снизу вверх» (синтез). Так вот, движение «снизу вверх» для биологии представляет собой не что иное, как образование из отдельных молекул биологически активных комплексов.

Рассмотрим коротко химические связи, которые определяют строение и форму молекулы. Первой и самой сильной является ковалентная связь, характеризующаяся строгой направленностью (только от одного атома к другому) и определенной длиной, которая зависит от типа связи (одинарная, двойная, тройная и т. п.). Именно ковалентные связи между атомами определяют «первичную структуру» любой молекулы, т. е. какие атомы и в каком порядке связаны друг с другом.

Но существуют и другие типы связей, определяющие то, что называется вторичной структурой молекулы, ее форму. Это прежде всего водородная связь - связь между полярным атомом и атомом водорода. Она ближе всего к ковалентной связи, так как также характеризуется определенной длиной и направленностью. Однако эта связь слабая, ее энергия на порядок ниже энергии ковалентной связи. Остальные типы взаимодействий являются ненаправленными и характеризуются не длиной образуемых связей, а скоростью убывания энергии связи с увеличением расстояния между взаимодействующими атомами (дальнодействием). Ионная связь является дальнодействующим взаимодействием, ван-дер-ваальсовы взаимодействия являются короткодействующими. Так, если расстояние между двумя частицами увеличивается в r раз, то в случае ионной связи притяжение снизится до 1/r 2 от начального значения, в случае уже не раз упоминавшегося ван-дер-ваальсового взаимодействия - до 1/r 3 и более (до 1/r 12). Все эти взаимодействия в общем случае можно определить как межмолекулярные взаимодействия.

Рассмотрим теперь такое понятие, как «биологически активная молекула». Следует признать, что молекула вещества сама по себе представляет интерес только для химиков и физиков. Их интересует ее строение («первичная структура»), ее форма («вторичная структура»), такие макроскопические показатели, как, например, агрегатное состояние, растворимость, температуры плавления и кипения и т. п., и микроскопические (электронные эффекты и взаимное влияние атомов в данной молекуле, спектральные свойства как проявление этих взаимодействий). Другими словами, речь идет об изучении свойств, проявляемых в принципе одной молекулой. Напомним, что по определению молекула - это наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства.

С точки же зрения биологии «изолированная» молекула (в данном случае не важно, одна это молекула или какое-то количество одинаковых молекул) не способна проявлять никаких биологических свойств. Этот тезис звучит достаточно парадоксально, но попробуем его обосновать.

Рассмотрим это на примере ферментов - белковых молекул, представляющих собой биохимические катализаторы. Например, фермент гемоглобин, обеспечивающий перенос кислорода в ткани, состоит из четырех белковых молекул (субъединиц) и одной так называемой простетической группы - гемма, содержащего атом железа, нековалентно связанного с белковыми субъединицами гемоглобина.

Основной, а точнее определяющий вклад во взаимодействие белковых субъединиц и гемма, взаимодействие, приводящее к образованию и устойчивости надмолекулярного комплекса, который и называется гемоглобином, вносят силы, именуемые иногда гидрофобными взаимодействиями, но представляющие собой силы межмолекулярного взаимодействия. Связи, образуемые этими силами, значительно слабее ковалентных. Но при комплементарном взаимодействии, когда две поверхности очень близко подходят друг к другу, число этих слабых связей велико, и поэтому общая энергия взаимодействия молекул достаточно высока и образующийся комплекс достаточно устойчив. Но пока не образовались эти связи между четырьмя субъединицами, пока не присоединилась (опять-таки за счет нековалентных связей) простетическая группа (гемм), ни при каких условиях отдельные части гемоглобина связывать кислород не могут и тем более не могут никуда его переносить. И, следовательно, данной биологической активностью не обладают. (Эти же самые рассуждения можно распространить и на все ферменты в целом.)

При этом сам процесс катализа подразумевает образование в ходе реакции комплекса из как минимум двух компонентов - самого катализатора и молекулы (молекул), называемых субстратом(ами), претерпевающей(их) какие-то химические превращения под действием катализатора. Другими словами, должен образоваться комплекс как минимум из двух молекул, т. е. супрамолекулярный (надмолекулярный) комплекс.

Идея комплементарного взаимодействия впервые была предложена Э. Фишером для объяснения взаимодействия лекарственных веществ с их мишенью в организме и названа взаимодействием «ключ к замку». Хотя лекарственные (и иные биологические вещества) далеко не во всех случаях представляют собой ферменты, но и они способны вызвать какой-либо биологический эффект только после взаимодействия с соответствующей биологической мишенью. А такое взаимодействие опять-таки есть не что иное, как образование супрамолекулярного комплекса.

Следовательно, проявление «обычными» молекулами принципиально новых свойств (в рассматриваемом случае - биологической активности) связано с образованием ими надмолекулярных (супрамолекулярных) комплексов с другими молекулами за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Именно так устроено большинство ферментов и систем в организме (рецепторы, мембраны и т. п.), в том числе такие сложные структуры, которые иногда называются биологическими «машинами» (рибосомы, АТФаза и др.). Причем происходит это именно на уровне нанометровых размеров - от одного до нескольких десятков нанометров.

При дальнейшем усложнении и увеличении размеров (более 100 нм), т. е. при переходе на другой размерный уровень (микроуровень), возникают значительно более сложные системы, способные не только к самостоятельному существованию и взаимодействию (в частности, к обмену энергией) с окружающей их средой, но и к самовоспроизведению. То есть опять происходит изменение свойств всей системы - она становится настолько сложной, что уже способна к самовоспроизведению, возникает то, что мы называем живыми структурами.

Многие мыслители неоднократно пытались дать определение Жизни. Не вдаваясь в философские дискуссии, отметим, что, на наш взгляд, жизнь есть существование самовоспроизводящихся структур, а начинаются живые структуры с отдельной клетки. Жизнь есть микро- и макроскопический феномен, а вот основные процессы, обеспечивающие функционирование живых систем, протекают на уровне наноразмеров.

Функционирование живой клетки как интегрированного саморегулирующегося устройства с ярко выраженной структурной иерархией обеспечивается миниатюризацией на наноразмерном уровне. Очевидно, что миниатюризация на уровне наноразмеров является принципиальным атрибутом биохимии, а следовательно, эволюция жизни состоит из появления и интеграции различных форм наноструктурированных объектов. Именно наноразмерный участок структурной иерархии, ограниченный по размерам как сверху, так и снизу (!), является критичным для появления и способности к существованию клеток. То есть именно уровень наноразмеров представляет собой переход от уровня молекулярного к уровню Живого.

Однако из-за того что миниатюризация на уровне наноразмеров является принципиальным атрибутом биохимии, нельзя всё-таки рассматривать любые биохимические манипуляции как нанотехнологические - нанотехнологии предполагают всё-таки конструирование, а не банальное применение молекул и частиц.

Заключение

В начале статьи мы уже пытались как-то классифицировать объекты различных естественных наук по принципу характерных размеров исследуемых ими объектов. Вернемся к этому снова и, применив эту классификацию, получим, что атомная физика, изучающая взаимодействия внутри атома, - это субангстремные (фемто- и пико-) размеры.

«Обычные» неорганическая и органическая химия - это ангстремные размеры, уровень отдельных молекул или связей внутри кристаллов неорганических веществ. А вот биохимия - это уровень наноразмеров, уровень существования и функционирования супрамолекулярных структур, стабилизированных нековалентными межмолекулярными силами.

Но биохимические структуры еще относительно просты, и функционировать они могут относительно независимо (in vitro , если угодно). Дальнейшее усложнение, образование супрамолекулярными структурами сложных ансамблей - это есть переход к самовоспроизводящимся структурам, переход к Живому. И здесь уже на уровне клеток это микроразмеры, а на уровне организмов - макроразмеры. Это уже биология и физиология.

Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого, уровню существования самовоспроизводящихся структур, а наночастицы, представляющие собой супрамолекулярные структуры, стабилизированные силами межмолекулярного взаимодействия, представляют собой переходную форму от отдельных молекул к сложным функциональным системам. Это можно отразить схемой, подчеркивающей, в частности, и непрерывность Природы (рис. 9). В схеме мир наноразмеров расположен между атомно-молекулярным миром и миром Живого, состоящего из тех же атомов и молекул, но организованных в сложные самовоспроизводящиеся структуры, а переход из одного мира в другой определяется не только (и не столько) размерами структур, сколько их сложностью. Природа давно придумала и использует в живых системах супрамолекулярные структуры. Мы же далеко не всегда можем понять, а тем более повторить то, что Природа делает легко и непринужденно. Но нельзя ждать от нее милостей, надо у нее учиться.

Литература:
1) Вуль А.Я., Соколов В.И. Исследования наноугле-рода в России: от фуллеренов к нанотрубкам и нано-алмазам/ Российские нанотехнологии, 2007. Т. 3 (3–4).
2) Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная форм и идей. - М.: ЛКИ, 2008.
3) Оствальд В. Мир обойденных величин. - М.: Изд-во товарищества «Мир», 1923.
4) Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. - Росток, СПб, 2006.
5) Ткачук В.А. Нанотехнологии и медицина // Российские нанотехнологии, 2009. Т. 4 (7–8).
6) Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы. - М.: Мир, 1989.
7) Mann S. Life as a nanoscale phenomenon. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306–5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. New dimensionality classifications of nanostructures // Physica E, 2008, v. 40, p. 2521–2525.

Нано - 10 –9 , пико - 10 –12 , фемто - 10 –15 .

Притом не только увидеть, но и потрогать. «Но он сказал им: если не увижу на руках Его ран от гвоздей, и не вложу перста моего в раны от гвоздей, и не вложу руки моей в ребра Его, не поверю» [Евангелие от Иоанна, глава 20, стих 24].

Например, об атомах говорил еще в 430 г. до н. э. Демокрит. Затем Дальтон в 1805 г. утверждал, что: 1) элементы состоят из атомов, 2) атомы одного элемента идентичны и отличаются от атомов другого элемента и 3) атомы не могут быть разрушены в химической реакции. Но лишь с конца XIX века стали развиваться теории строения атома, что и вызвало революцию в физике.

Понятие «нанотехнология» было введено в обиход в 1974 г. японцем Норио Танигучи. Долгое время термин не получал широкого распространения среди специалистов, работавших в связанных областях, так как Танигучи использовал понятие «нано» только для обозначения точности обработки поверхностей, например, в технологиях, позволяющих контролировать шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т. п.

Понятия «фуллерены», «углеродные нанотрубки» и «графен» будут подробно обсуждаться во второй части статьи.

Экспериментальной иллюстрацией этого утверждения является недавно опубликованная разработка технологических приемов получения графеновых листов путем «химического разрезания» и «разворачивания» углеродных нанотрубок.

Слово «микроскопические» употреблено здесь лишь потому, что так эти свойства назывались ранее, хотя речь в данном случае идет о свойствах, проявляемых молекулами и атомами, т. е. о пикоразмерном интервале.

Что, в частности, привело к возникновению точки зрения, что жизнь есть феномен нанометровых размеров [Mann , 2008], что, на наш взгляд, не совсем верно.

Нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра.

Приведенные здесь в качестве эпиграфа строки взяты из фантастического произведения и пока не могут претендовать на серьезное отношение со стороны простого человека. Но для современного специалиста по нанотехнологиям, лемовские фантазии уже не утопия, а повседневная работа.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход — скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего века начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.

Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.

Существующие способы осаждения примесей в полупроводниках (эпитаксии) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему пределу не только в смысле размеров, но и топологически. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры — когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии.

В частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды. В то же время, сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. По видимому, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где «атомная сборка» будет осуществлена в промышленных масштабах.

Хотя сейчас в нашем распоряжении и имеются средства для манипуляций отдельными атомами, вряд ли их можно «напрямую» применять для того, чтобы собрать что-либо практически необходимое: уже хотя бы только из-за количества атомов, которые придется «монтировать».

Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.

Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. в конце концов этот экспоненциальный процесс приведет к созданию молекулярных роботов — механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером.

Перспективы

За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека

МЕДИЦИНА

Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации — первая половина XXI века.

ГЕРОНТОЛОГИЯ

Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Прогнозируемый срок реализации: третья — четвертая четверти XXI века.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами — комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены все лишние звенья.Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло, мясо — все, что угодно)». Стоит ли говорить о том, что подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй — четвертой четвертях XXI века.

БИОЛОГИЯ

Станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

ЭКОЛОГИЯ

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

ОСВОЕНИЕ КОСМОСА

По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

КИБЕРНЕТИКА

Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Прогнозируемый срок реализации: первая — вторая четверть XXI века.

РАЗУМНАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ

За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века.

Элементы информационных систем

Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.

ВВЕДЕНИЕ

Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем.

Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.

КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

При переходе к наномасштабам, на первый план выходят квантовые свойства рассматриваемых объектов. С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами квантового ограничения, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Специфическим проявлением квантового ограниче-ния является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновский блокады. Рассмотрим иллюстрируемый на следующем рисунке пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл.

Первоначально граница раздела между диэлектриком и металлом электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система воз-вращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Так перенос заряда в структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона.

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Одними из первых, появились элементы на резонансном туннелировании, представляющие собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которых потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом.

Туннельный транзистор, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование индивидуальных электронов контролируется ку-лоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора в его середине между двумя прослойками твердого диэлектрика. Если представить один бит как наличие или отсутствие одного электрона, то схема памяти емкостью 100 Гб разместится на кристалле, площадью всего 6 см2.

В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 10 12 Гц.

Квантовые точки

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Полупроводниковые квантовые точки представляют собой размерами порядка нанометра, гигантские молекулы, состоящие из 103 — 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью.

Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ МОГУТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНЫ ПОСРЕДСТВОМ

  • колоидальных химических средств
  • управляемым затвердеванием в процессе эпитаксического роста
  • флуктуаций размера в условных квантовых колодцах
  • нанопроизводство

КОЛЛОИДАЛЬНЫЕ ТОЧКИ

Коллоидальные точки являются свободными, т.е. они не погребены внутри другого полупроводника. Таким образом, они свободны от натяжения. Они закрыты органическими молекулами, используемыми для предотвращения свертывания маленьких точек в процессе их роста. Размер этих молекул можно контролировать в процессе роста и их форма приближается к сферической. Коллоидальные технологии были развиты достаточно глубоко в основном для ионных систем II — IV (CdS, CdSe) и недавно для полупроводников III — V групп (InP, GaP, InAs). В связи с совершенной универсальностью размеров, можно проводить спектроскопические исследования высокого разрешения. Последние выявили новые физические эффекты, включая значительное расширение взаимодействия электронно-дырочного обмена применительно к соответствующим массивным твердым телам, передача заряда в возбужденном состоянии, необычное поведение (в отношении масс) под давлением (например, задержанные фазовые переходы), и определение до 10 возбужденных состояний электронно-дырочных переходов. Теперь стала возможной замена органической протравленную оболочку вокруг этих точек неорганическими полупроводниками — например: CdSe (ZnS) — таким образом производя структуры «ядро — оболочка». Были созданы массивы каллоидальных точек. Более того входные структуры запрещающие загрузку каллоидальных квантовых точек носителями недавно стали возможны для точек размерами 6нм.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Управляемое затвердевание пленки материала А выращенного на субстрате созданном из материала В производит острова А, т. к. разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP. Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитоксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А.

Формы этих точек сильно разнятся. Они появляются в виде пирамид, но накрапление изменяет форму и состав. Обычно может получиться только маленькое число размеров. Спектроскопические и транспортные изменения этих точек раскрыли мультиэкситонные переходы (несколько электронов и несколько дырок распадаются вместе). Также были обнаружены эффекты Кулоновской блокады, где загрузка точки электронами вызывает Кулоновское отталкивание электронов от других электронов так электронное сложение требует повышенного входного напряжения. Вертикальное выравнивание самособирающихся точек в настоящее время обещает заманчивые перспективы для создания сетки точек и приложения устройств.

ФЛУКТУАЦИИ РАЗМЕРОВ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ

Флуктуации размеров в квантовых ямах нарушает периодичность в двух расширенных направлениях, таким образом вызывая образование точки. Управление формой и размером достаточно сложно, но качество восприимчивости такое хорошее, что можно наблюдать чрезвычайно точные спектроскопические черты. Фактически многие из недавних достижений одноточечной спектроскопии и наноядерного магнитного резонанса или нанофотолюменесценции были сфокусированы на этом типе точек.

НАНОПРОИЗВОДСТВО

Нанопроизводство квантовых точек идеально для изучения транспортных свойств таких как наблюдение перехода электронов поодиночке в точки. Это раскрывает красивую последовательность переходов перекомпановывая атомную физику в ее правиле отбора, но на энергетическом масштабе миллиэлектронвольт (вместо приблизительно 10эВ). Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях (например, «частица в ящике») на максимальном пределе нулевого измерения (т.е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Таким образом эта область интересна теоретикам квантовой физики, экспериментаторам в области электроскопии, передачи информации и, вероятно, специалистам в области оптоэлектроники. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках.

Не нашли ответ на свой вопрос? Посмотрите здесь
Ударение в английском языкеУдарение в английском языке
10 слов с ударением на 1 слог10 слов с ударением на 1 слог
Закон Ома для замкнутой цепи и неоднородного участка цепиЗакон Ома для замкнутой цепи и неоднородного участка цепи