Нанотехнологии и их перспективы

Введение 

     Человечество  во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для  этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили  диких животных, которые стали  приносить пользу человеческому  сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может  представить себе жизнь без современных  благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды  людей.

     Технический прогресс направлен в сторону  разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная  из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно  прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы  взаимодействия человека с миром.

     Цель  данной работы состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалёком будущем.

     Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10^-9м; атомы, молекулы) (рис. 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

     Термин  нанонаука используется в настоящее  время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов  нанотехнологии, конечной целью которой  является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может  рассматриваться как начальная  стадия нанотехнологии, когда до продукции  еще достаточно далеко. 

История развития нано технологий 

     Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX—XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному  скачку в развитии методов и средств  обработки информации, получения  электрической энергии, синтеза  новых материалов на основе передовых  научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры»  люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между  макромолекулами, из которых состоит  все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при  изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась  стихийно, без надлежащего понимания  природы происходящего, не могла  быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально  новых продуктов и ноу-хау.

       Системные исследования наноразмерных  объектов берут свое начало  в XIX в., когда в 1856—1857 гг. английский  физик Майкл Фарадей впервые  изучил свойства коллоидных растворов  нанодисперсного золота и тонких  пленок на его основе. Интересно  отметить пример своеобразного  предвидения, сделанного в 1881 г. писателем Николаем Лесковым  в повествовании о тульском  мастере Левше, сумевшем подковать  «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть  только в «мелкоскоп» с увеличением  в 5 млн раз, что соответствует  возможностям современной высокоразрешающей  микроскопии (на это первым  обратил внимание российский  ученый, специалист в области  наноматериаловедения Ростислав  Андриевский).

       В первой половине ХХ в. зародилась  и получила развитие техника  исследования нанообъектов. В 1928 г. предложена схема устройства  оптического микроскопа ближнего  поля. В 1932 г. впервые создан  просвечивающий электронный, а  в

      1938 г. — сканирующий электронный  микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная  научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов.

       В 1959 г. американский физик,  нобелевский лауреат Ричард Фейнман  прочитал ставшую впоследствии  знаменитой лекцию под названием  «Внизу полным-полно места: приглашение  в новый мир физики», в которой  впервые была рассмотрена возможность  создания наноразмерных деталей  и устройств совершенно новым  способом — путем поштучной  «атомарной» сборки. Ученый заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться  атомарными структурами, которые  предлагает нам природа». И далее  добавил: «Но в принципе физик  мог бы синтезировать любое  вещество по заданной химической  формуле».

       В 1972 г. создан оптический микроскоп  ближнего поля. В 1981 г. ученые  Герд Бинниг и Генрих Рорер,  работавшие в то время в  филиале IBM в Цюрихе, предложили  конструкцию сканирующего туннельного  микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы  по сканирующей туннельной микроскопии  они были удостоены Нобелевской  премии по физике. В этом же 1986 г. ими был разработан атомно-силовой  микроскоп.

       В 1974 г. японский ученый Норио  Танигучи при обсуждении проблем  обработки веществ ввел термин  «нанотехнология». В 1981 г. американский  ученый Г. Глейтер впервые использовал  определение «нанокристаллический».  Позже для характеристики материалов  стали употреблять такие слова,  как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.

       В 1975 г. были теоретически рассмотрены  принципиальные возможности существования  особых видов наноразмерных объектов  — квантовых точек и квантовых  проволок.

       В 1986 г. американский физик  Эрик Дрекслер в своей книге  «Машины созидания: пришествие  эры нанотехнологии», основываясь  на биологических моделях, ввел  понятие о молекулярных роботах,  а также развил предложенные  Фейнманом идеи нанотехнологической  стратегии «снизу вверх».

       Мощным стимулом для активизации  направления стало создание принципиально  новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что  существуют две единственные  полиморфные модификации углерода  — графит и алмаз. Однако, как  оказалось, пределы полиморфных  превращений данного элемента  этим не ограничиваются, свидетельством  чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки.

       Впервые возможность существования  фуллеренов была предсказана  японскими учеными Эйджи Осавой  и Зеншо Иошидой в 1970 г. Чуть  позже, в 1973 г., российские исследователи  Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн  сделали первые теоретические  квантово-химические расчеты такой  молекулы и доказали ее стабильность. В 1980-е гг. были получены результаты  астрофизических исследований спектров  некоторых звезд, указывающие  на существование подобных комплексов. В 1985 г. фуллерены были впервые  синтезированы. Это удалось сделать  английскому ученому Гарольду  Крото и американским Роберту  Керлу и Ричарду Смолли, за  что в 1996 г. они были удостоены  Нобелевской премии. В ходе изучения  масс-спектров паров графита,  полученных в результате лазерного  воздействия, ими были выявлены  крупные агрегаты С60 и С70, состоящие  соответственно из 60 и 70 атомов  углерода. В 1990 г. в Германии  ученые В. Кретчмер и К. Фостирополус  разработали технологию, позволившую  получать фуллерены в достаточно  больших количествах. Как выяснилось  позже, такие комплексы существуют  и в природе. Они были обнаружены  в 1992 г. в природном углеродном  минерале — шунгите (от названия  поселка Шуньга в Карелии). Углеродные  нанотрубки открыл в 1991 г. японский  ученый Сумио Иджима. Фуллерены  и углеродные нанотрубки с  момента их обнаружения привлекли  внимание многих исследователей  необычностью своей структуры  и свойств. В ходе последующих  изысканий были выявлены различные  производные этих образований,  которые получались в результате  взаимодействия фуллеренов и  углеродных нанотрубок с другими  веществами. Было также установлено,  что структуры, подобные им, могут  быть образованы атомами не  только углерода, но и других  элементов. В частности, в 1992 г. обнаружены фуллереноподобные  наночастицы Ti8C12. В том же году  были впервые синтезированы неуглеродные  нанотрубки на основе MoS2 и WS2.

       О наличии глубоких корней, лежащих  в основе нынешних нанотехнологических  исследований, свидетельствует история  формирования одной из самых  молодых областей химии — супрамолекулярной,  открывающей широкие возможности  для создания различных видов  молекулярных наноструктур.

       Термин «супрамолекулярная химия»  введен французским химиком Жаном  Мари Леном в 1978 г. Несколько  ранее, в 1973 г., в его трудах  появилось слово «супермолекула»,  которое было известно еще  в середине 1930-х гг. и употреблялось  для описания более высокого  уровня организации, возникающего при образовании ряда сложных молекулярных соединений. Супермолекулы состоят из компонент, которые связываются друг с другом благодаря механизму молекулярного распознавания, предполагающему наличие между ними определенной комплементарности. На возможность его существования еще в 1906 г. указывал немецкий биохимик Пауль Эрлих, подчеркивая, что молекулы реагируют друг с другом строго селективно. Таких же взглядов придерживался немецкий химик-органик Эмиль Фишер, который в 1894 г. сформулировал принцип «ключ — замок», предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит геометрическая комплементарность компонент, образующих супрамолекулярный ассоциат. Вещества, которые в настоящее время рассматривают как соединения включения, ранее наблюдали разные ученые: Аксель Кронстедт в 1756 г., Джозеф Пристли в 1778 г., Б. Пелетье и В. Карстен в 1785—1786 гг., Гемфри Дэви в 1823 г. Термин «клатрат» в его современном толковании введен Г. Пауэллом в 1947 г. Важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием американским ученым Чарльзом Педерсеном в 1962 г. краун-эфиров — молекул плоской формы, обладающих полостью, способной включать в себя молекулы другого сорта. В 1967 г. Жан Мари Лен осуществил синтез аналогичных молекул с трехмерной полостью, названных криптандами. В начале 1980-х гг. американский ученый Дональд Крам сконструировал «молекулы-контейнеры» с предварительно организованной структурой — сферанды и кавитанды. За сравнительно короткий период нанотехнологии получили широкое распространение в самых различных областях человеческой деятельности. Примером тому является история развития биотехнологии. Этот термин был предложен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. Под биотехнологией он понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

       Хронология дальнейшего развития  биотехнологии выглядит следующим образом: в 1943 г. освоен промышленный выпуск пенициллина; в 1944 г. обнаружен генетический материал — дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК, а в 1953-м — двойная спираль ДНК; 1966 г. — расшифрован генетический код; 1970 г. — выделена первая рестриктаза — фермент, способный расщеплять ДНК; в 1973 г. синтезирован полноразмерный ген т-РНК — транспортной рибонуклеиновой кислоты; в 1975 г. разработана технология рекомбинантных ДНК, а в 1976 г. — методы определения нуклеотидной последовательности ДНК. Последующие годы ознаменовались развертыванием широкого фронта исследований в области генной инженерии, которые привели в 1990 г. к началу работ над проектом «Геном человека».

       В 1997 г. из дифференцированной  соматической клетки было впервые  клонировано млекопитающее. Все  это — яркий пример возможностей  нанотехнологий применительно к  биологическим объектам.

       Другим примером приложения нанотехнологий, но уже к «неживым» предметам,  является история разработки  идеи квантовых компьютеров. В  1985 г. профессор Оксфордского  университета Дэвид Дойч предложил  математическую модель квантово-механического  варианта машины Тьюринга. В 1994 г. П. Шор (фирма AT&T Bell) показал,  что такая машина может получить  практическое воплощение.

       В частности, она оказалась  эффективной в решении задач  о разложении на множители  больших чисел. В настоящее  время алгоритм, предложенный Шором,  широко применяется при создании  различных типов квантовых компьютеров.  В 1998 г. М. Такэути (фирма  «Мицубиси Дэнки») провел принципиальные  эксперименты по квантовым вычислительным  системам с использованием фотонов.  В 1999 г. Н. Накамура (фирма NEC) успешно изучил возможности практической работы квантового компьютера.

       Нынешний период в развитии  нанотехнологий характеризуется  активизацией исследований и  разработок в данной области,  вложением в них существенных  инвестиций. Особенно ярко эти  тенденции проявляются в ведущих  индустриальных странах мира. США  в данном направлении занимают  лидирующие позиции.

       В 2001 г. была утверждена Национальная  нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была  сформулирована следующим образом:  «Национальная нанотехнологическая  инициатива определяет стратегию  взаимодействия различных федеральных  ведомств США с целью обеспечения  приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой  экономики и национальной безопасности  США в первой половине XXI в.».