Нанотехнологии: история и развитие

    Растущую  значимость  нанотехнологий  каждый  человек чувствует по публикациям  в научной или популярной литературе, по информации в Интернете и в средствах массовой информации. Подтверждением значения и роли    НТ в развитии общества может служить ежегодный рост публикаций по этой проблематике, числа заявок на патенты, распределения финансирования на эти темы и т. п. В качестве еще одного аргумента можно привести интенсивно развивающиеся дискуссии по научным и политическим аспектам НТ, которые свидетельствуют о стремлении общественности приобщиться к исследовательской деятельности в этой области. Дискуссии происходят в региональных, национальных и международных масштабах, так что становится очевидным, что в этой проблеме мы, вероятно, имеем дело с техническими и экономическими процессами глобального масштаба, которые (по оценкам многих экспертов) могут перерасти в еще одну промышленную революцию.

    Термин  «промышленная революция», впервые  сформулированный  социальным  реформатором  Фридрихом  Энгельсом, подразумевает в узком смысле этого слова индустриализацию Великобритании в период примерно между 1750 и 1850 гг., в результате чего возникло то, что сейчас называется промышленным капитализмом. Развитие техники (особенно в сфере механизации  производства)  за  этот  период  привело  к  полному техническому,  экономическому  и  общественному  изменению социальной систем, конечным результатом чего стали огромные перемены в экономике, технике, социальной структуре,  стиле  жизни,  политической  системе  и  даже  изменение общего ландшафта стран, вовлеченных в указанный процесс. Другими известными последствиями промышленной революции  стали  более  гуманные  условия  труда,  устранение массовой бедности, ускорение технологических, экономических и социальных изменений, возрастание «аккумуляции» капитала и рост предложений на рынке труда. Некоторые аспекты этого процесса и сегодня представляются чрезвычайно актуальными, особенно с точки зрения дальнейших последствий технического и экономического развития.

     Второй промышленной революцией часто называют внедрение автоматизации в промышленные процессы, которое произошло в начале 20-го века (K nig, 1992). Даже те, кто считает понятие «промышленная революция» давно утратившим свой первоначальный смысл, не могут отрицать, что автоматизация производства действительно привела к глобальным и до сих пор заметным переменам в существующем обществе. Третьей промышленной революцией некоторые социологи называют внедрение в производство процессоров, начавшееся с середины 20-го века. Такое сравнение НТ с перечисленными выше промышленными преобразованиями, послужившими основой глобальных изменений во всех сферах жизни, еще глубже подчеркивает невероятный потенциал развития новых технологий.

    Легко заметить, что любые дискуссии  по проблеме  НТ в кругах экспертов (особенно при рассмотрении общественно-политических  вопросов)  отличаются  удивительной  широтой  обсуждаемых тем и понятий. Почти всегда эти многочисленные обсуждения быстро переходят от рассмотрения каких-либо последних достижений в области НТ к практическим возможностям их использования. Эксперты любят обсуждать глобальные применения, которые потенциально обещают охватить все сферы жизнедеятельности, а также потенциальные риски, связанные с техническими преобразованиями. Забавно, что связанные с НТ серьезные ученые часто предлагают весьма смелые и фантастические проекты, в свете которых все измышления журналистов, писателей-фантастов и дилетантов представляются упрощенными       и  приземленными        (образно    говоря,    наука    сейчас обгоняет фантастику).

    Серьезное знакомство с основами, стратегией развития и областями возможного применения НТ сейчас приобретает особое значение по двум основным причинам. Во-первых, такое знакомство служит предпосылкой для компетентной оценки потенциала НТ в области промышленного применения с технической и макроэкономической перспективы, а, во-вторых, оно необходимо самым разным специалистам для оценки возможных изменений в различных сферах общественной жизни (например, в медицине, использовании природных ресурсов, образовании и т. п.).

    Нанотехнология  в последние годы стала очень  популярна в академических кругах, а также в высших учебных заведениях, что можно объяснить неожиданно возникшей острой потребностью в квалифицированных кадрах. Наряду  со специально созданными      и   дополнительными         учебными      курсами,     спешно создаются новые учебники и программы обучения или совершенствования персонала. В высших учебных заведениях Германии и других развитых стран уже создан целый ряд новых учебных курсов и факультативных курсов лекций по различным направлениям НТ. Большинство новых учебных пособий пытается отобразить разнообразие идей НТ и различные научно-технические особенности отдельных областей НТ, от электроники до молекулярной медицины, однако для фундаментального понимания новой науки гораздо важнее знание междисциплинарных основ, объединяющих  область  исследований  НТ,  независимо  от  конкретного  применения.  В  мировой  науке  наблюдается  новое  и очень интересное явление — проведение междисциплинарных исследований на основе срастающихся и взаимно дополняющих друг друга наук и технологий, в результате чего неожиданно появляются новые продукты и методы. Этот феномен даже получил специальное название слияния или сходимости  технологий.

    При любой системе оценок и определений, следует признать, что нанотехнология (НТ) представляет собой чрезвычайно важное направление научно-технического развития вообще. Общественные дискуссии о НТ обычно проводятся людьми, не имеющими специальных знаний, а точный прогноз возможностей развития новой науки представляется проблематичным даже для экспертов. Нанотехнология системно связана с множеством научных дисциплин и уже существующих технологий, и эта специфика отражается как на процессе обучения, так и изучении структур и явлений на нанометрическом уровне. 
 
 

    Тот факт, что достаточно мелкие частицы  различных веществ обладают свойствами, зачастую совершенно не похожими на свойства этих веществ в объемной фазе, был известен (во всяком случае, эмпирически) ученым и технологам очень давно. Известно, что еще древние римляне применяли сверхмалые частицы золота или серебра и золота для того, чтобы придавать бокалам и другим стеклянным изделиям особо характерную окраску (например, таким способом изготавливались знаменитые римские рубиновые кубки).

   Не  вдаваясь в детали производства, отметим, что эффект достигался введением в материал наночастиц благородного металла, что и придавало стеклу необычные оптические свойства. Стоит подчеркнуть, что в данном случае мы не можем говорить о НТ в строгом смысле этого понятия, поскольку процесс осуществлялся древними стеклодувами неосознанно, без четкого представления о реальных связях между величиной частиц и эффектом рассеивания света. Можно привести много других примеров такого практического использования наносистем, не основанного на строгих определениях и знаниях. Например, коллоидные суспензии, т. е. системы с частицами меньше микрометра в жидкой среде, известны уже десятки лет, не говоря уже о многих фармацевтических препаратах, в которых наночастицы выступают носителями лекарственных препаратов, и т. д.

   Вот еще один пример «нанотехнологий» в  истории. В уникальном музее художественной керамики, размещенном в небольшом итальянском городе Фаенца, посетители могут любоваться экспонатами, украшенными цветной глазурью, технология которой была разработана гончарами Умбрии еще в XV веке и использовала отражающую способность ультрадисперсных металличе ских частиц для придания керамике необычного блеска. 

   «Дедушкой»  нанотехнологий можно считать Демокрита. Именно он в 400 г. до н. э. первым определил понятие мельчайший частицы вещества – атома, что в переводе с греческого означает «неделимый». 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». (Н. Лесков «Левша») Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать прародителем «нанотехнологов».

   Появлению термина «нанотехнология» предшествовали различные открытия. 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".¹

   В 1905 г. шведский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

     В 1931 г. немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты, в том числе  и вирусов.

   В 1952 г. советские ученые Л. В. Радушкевич и В.М. Лукьянович обнаружили первый наноматериал. Это были широко известные теперь нанотрубки – они возникали в саже углеродных  электродуговых свечей. Диаметр одномерных наноскопических объектов, как их назвали первооткрыватели, составил около 100 нм. Однако открытие осталось незамеченным. Всемирная слава нанотрубок в 1991 году, после публикации статьи японского исследователя Сумио Иидзимы. Углеродные нанотрубки представляют собой слой атомов, подобный листу бумаги. Если же взять 60, 70 и более атомов углерода, то получим структуру фуллерен. Классический фуллерен из 60 атомов получил Ричард Смолли в 1980-х гг.

   Строго  говоря, истинным предвестником НТ сегодня следует считать знаменитого американского физика и лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана, который достаточно подробно рассмотрел последствия безграничной миниатюризации с позиций теоретической физики в своем известном выступлении «Там внизу много места» перед американским физическим обществом в декабре 1959 г. (Feynman, 1959). Фейнман с очень общей точки зрения проанализировал возможности изменения масштабов электромеханических приборов, электрических схем и проблему записи, сжатия и сохранения информации. Если говорить о конкретных его идеях, то 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.

   Идеи  Фейнмана казались слушателям фантастическими, поскольку практическая реализация предлагаемых им устройств и механизмов считалась проблемой далекого будущего или вообще невозможной. Сегодня мы убеждаемся, что идеи великого физика оказались вполне реалистичными, а многие из них уже воплощены в математических расчетах и практических применениях.

   При этом сам Фейнман не пользовался  термином «нанотехнология», поскольку это понятие было введено в обиход позднее (1974) японцем Норио Таяигучи. 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. В 1968 году Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. И Н. Таяигучи именно в результате этих разработок вывел понятие «нанотехнология».

   В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера  «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий». В ней автор изложил идею молекулярных машин, способных к воспроизводству. Он утверждал, что эти машины – нанороботы, - выйдя из-под контроля, смогут настолько быстро размножаться, что из «машин созидания» превратятся в «машины уничтожения» и поглотят всю биомассу Земли. (Такая субстанция из обезумевших наномашин получила название «серая слизь»). Эта книга и последовавшая за ней дискуссия, в которой приняли участие крупнейшие ученые, буквально ошеломила общество. Благодаря этому нанотехнологии оказались в центре всеобщего внимания.

   Прогнозы  Дрекслера сегодня считают фантастикой. Но задачи, о которых он писал  – самосборка наноструктур, производство на молекулярном уровне, медицинские  манипуляции на наномасштабах –  остаются на переднем крае исследований. И кто знает, может быть реалистичные нанотехнологии сегодняшнего дня приведут к еще более фантастическим достижениям, чем те, которые могли предвидеть визионеры в прошлом веке.

   В основе же самой нанотехнологии как интегральной новой науки лежат два изобретения конца XX столетия.

   Первым моментом в истории НТ стало изобретение растрового туннельного микроскопа в конце 1981 года, так как этот прибор впервые позволил получить изображения отдельных атомов, а не их упорядоченных скоплений. Нобелевскую премию в области физики за изобретение этого ценного прибора получили Герд Бинниг и Гейнрих Рорер из исследовательской лаборатории фирмы IBM в Рюшликоне. Важность их открытия заключается в том, что оно затем привело к созданию целой серии приборов, позволяющих анализировать поведение вещества на молекулярном и атомном уровне, а еще позднее на этой основе реализовались возможности управления поведением атомов и молекул . С другой стороны, простота и удобство этих приборов привели к их очень быстрому распространению, так что сегодня невозможно себе представить исследования, разработки и производство в НТ без атомарных микроскопов, ставших стандартным оборудованием многих лабораторий. Можно было бы привести еще несколько важных дат в истории НТ, однако необходимо подчеркнуть, что эта история сложилась из множества параллельно протекавших и непрерывных разработок в различных областях науки и техники. В частности, НТ возникла из сочетания множества технологий, связанных с микроскопическими исследованиями и анализом состояния поверхностей различных веществ в микроэлектронике. В основу НТ столь же органично вошли аналитические и методические разработки супрамолекулярной химии и биохимии вообще. Развитие НТ подразумевает также невероятный рост возможностей теоретического моделирования вообще (и наносистем, в частности), благодаря невиданному росту вычислительной мощности компьютеров, связанному с возможностями удивительной миниатюризации. С другой стороны,  НТ предполагает целенаправленное и междисциплинарное использование множества новейших математических методов для описания, использования или изготовления нанометрических систем.