Нанотехнологии: история и развитие

   Вторым  основным моментом для развития НТ является открытие Г. Бининга в 1986 г. – создание атомно-силового микроскопа, которому удалось не только «увидеть» отдельные атомы, но и «проманипулировать ими». Уже тогда Г. Бининг и Г. Рорер предсказали, что «те компании, которые начнут выпускать продукты на основе нанотехнологий, будут иметь экономические перспективы, т.к. размеры и объемы таких производств не могут быть крупными, а само производство дорогим».

   В 1998 г. голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

   В 1999 году американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

   В 2000 г. администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование.

   В России подобное образование появилось  в 2004 году. «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» определила термин «нанотехнология» и осуществила постановку задач развития данной отрасли.

   Дальнейшие  этапы развития нанотехнологий представляют собой развитие, совершенствование уже существующих и изобретение новых нанотехнологий.

   Хотелось  бы отдельно отметить развитие нанотехнологий в России. В августе 2009 года была утверждена «Концепция образовательной деятельности Государственной Корпорации «Роснанотех»». Данная концепция направлена на создание квалифицированных кадровых ресурсов. Совместно со «Стратегией развития наноиндустрии» (2007 г.) данная концепция создает комплекс образовательных учреждений для обучения специалистов НТ и поддерживает и совершенствует уже имеющиеся учебно-научные комплексы. В начале 2008 года приняты еще две крупные программы – «Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 20015 года» и федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации в 2008-2010 гг.» Большую роль играю нанонаука и нанотехнологии в принятой в 2008 году правительством Российской Федерации «Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008-20012 годы». На данный момент в рамках «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.) формируются научные центры для научно-исследовательской деятельности, системы подготовки и переподготовки специалистов, разрабатываются концепции развития нанотехнологий в России и другое.

   На  сегодняшний день можно смело  утверждать, что российские нанотехнологии занимают все более устойчивые позиции на международной арене, подтверждением тому служит перечисленный комплекс нормативных документов, концепций развития и деятельности отрасли, потдверждающих и утверждающих позиции российской наноиндустрии в мире. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Определение нанотехнологий и терминология.

    Что же такое нанотехнологии? Для начала следует подчеркнуть, что термин «технология» в рассматриваемом  случае следует воспринимать в значении «учение о мастерстве», комплекс знаний, а не относить его лишь к некоторым техническим процедурам. Префикс нано- является заимствованием из греческого языка, где nanos означает «карлик». Подобно аналогичным префиксам, заимствованным из греческого или латыни, частица "нано" применяется для обозначения определенной доли (фракции) физических величин.

    В данном случае речь идет об одной миллиардной  части (10^-9 = 0, 000 000 001) какой-либо величины, что позволяет вводить, например, нанолитр ( = 10^-9 литра), наносекунду (1 нм) или нанометр (1 нм = одной миллиардной метра, одной миллионной миллиметра или одной тысячной микрометра). Введение таких дополнительных мер длины играет особую роль для определения нанотехнологий, однако нанотехнологии нельзя упрощенно связывать лишь с масштабами объектов.

    Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать  с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора – даже при том, что некоторые, как обычно, пожадничают).

    Уменьшим  слона до размера микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине  станет величиной как раз в  нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалось бы нам тогда равной… 170 километрам.

    Конечно, это только фантазии. Таких крошечных  человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм.

    Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи.

    Можно оценить сложность проблемы, если вспомнить из курса физики, что для достаточно малых систем функциональные свойства материалов или их отдельных компонентов начинают зависеть от размеров объектов. Речь идет о том, что основные характеристики вещества как целого, обычно рассматриваемые в качестве постоянных (например, твердость, электрическая проводимость, цвет или химическая активность мелких частиц) для любого заданного материала, начинают зависеть от размера частиц. Этот эффект нельзя наблюдать в объемных материалах или у более крупных частиц: стальная булавочная головка имеет те же основные физические свойства (серебристый блеск, твердость, электропроводность и точку плавления), как и слиток стали того же сорта весом в 1 тонну. Обычно физико-химические свойства веществ не связаны с их размерами, но ситуация принципиально изменяется при переходе к нанообъектам и нановеществам. Например, миниатюрные полупроводниковые компоненты меньше некоторой критической величины ведут себя совсем не так, как их более крупные аналоги, так как электрические токи в таких объектах могут протекать только в некоторых изолированных областях, а значения тока могут возрастать при росте напряжения ступенчато, а не непрерывно.

    Нанотехнологии  – это способы создания наноразмерных  структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу  лекарства в нанокапсулу и  точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми  каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. А другие виды нанопродукции уже продаются в магазинах.

    Особенность нанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. “Сырьем” являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии, для нанотехнологии характерен “индивидуальный” подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как “бездефектные” материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами. Понятие нанотехнология еще не устоялось. По-видимому, можно придерживаться следующего рабочего определения.

    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.

    В Техническом комитете ИСО/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.

    Согласно  «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 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.

    Этих кажущихся несколько абстрактными определениями (формулами), с одной стороны, вполне достаточно, чтобы упорядочить представления о различных областях применения нанотехнологий. С другой стороны, они исключает некоторые области применения инновационного характера, которые "незаконно" причисляются к нанотехнологиям. Особое значение имеет установление нанообласти в интервале 1-100 нм, так как именно в этой области размеров проявляется большинство абсолютно новых свойств любых объектов. Ниже этого предела находятся отдельные атомы или молекулы, а выше — микротехнологии. Путем ограничения в приведенном определении на два нанометровых измерения исключается возможность, что продуктом нанотхнологий назовут, например, просто очень тонкий слой на поверхности (толщиной несколько нм), хотя структурные компоненты этого слоя при соответствующих параметрах, несомненно, будут являться нанокомпонентами системы.

    Согласно  рекомендации 7-ой Международной конференции  по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие типы наноматериалов:

    – нанопористые структуры;

    – наночастицы, нанопорошки; (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм)

    – нанотрубки и нановолокна; (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне  до 100 нм)

    – нанодисперсии (коллоиды);

    – наноструктурированные поверхности  и пленки; (объекты, у которых один характеристический размер находится  в диапазоне до 100 нм)

    – нанокристаллы и нанокластеры.

    Последние представляют собой частицы упорядоченного строения размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов. Собственно наночастицы  диаметром от 5 до 100 нм состоят из 103-108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо больше атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм. В зависимости от того, какую преимущественную анизотропию имеют структурные элементы наноструктур, последние также подразделяют на одно-, двух- и трехмерные (нульмерные).

    Анализ  текущего состояния бурно развивающейся  области позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений.

1. Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.
2. Материаловедение. Создание “бездефектных” высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.
3. Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.
4. Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.
5. Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.
6. Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.
7. Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального“ремонта” органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.
8. Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.
9. Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.