News image News image News image News image News image News image News image News image


Возникновение и развитие нанонауки
Энциклопедия - Возникновение и развитие нанонауки

Там... внизу... еще очень много места...
Ричард ФЕЙНМАН, нобелевский лауреат по физике (1959 год}

Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна ( Albert Einstein), который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10~9м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла ( Nikola Tesla). Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих на-нотехнологий, — это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Георгий Гамов, член-корреспондент АН СССР, был исключен из Академии наук, после того как в 1933 году не вернулся в СССР из командировки в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса, и только посмертно, в 1 990 году, его звание было восстановлено.

Так вот, еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера ( Ervin Schrodinger). Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники. В 1956 году Г. А. Гамов получил премию Калинга за популяризацию науки.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике ( Frits Zernike) открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то время не осознали его перспективности.

В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска ( Ernst August Ruska), получивший Нобелевскую премию в 1986 году, и Макс Кноль ( Max Knoll) создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О'Кифи ( John Aloysius O' Keefe) предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О'Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки ( Leo Esaki) (Нобелевская премия 1973 года совместно с Айваром Джайевером — Ivar Giaever — и Брайаном Дэвидом Джозефсоном — Brian David Josephson). В это же время Юрий Сергеевич Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар», впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский при исследованиях аварий авиационной техники в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект бе-зызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой «сервовитной пленки» толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» ( There is plenty of space on the bottom) одного из крупнейших физиков XX века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана ( Richard Phillips Feynman), прочитанной 29 декабря 1959 года. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов...», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур ( Gordon Earle Moore), почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel (сокр. от Integrated Electronics Technologies Incorporated), выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18—24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг ( Russell Young), работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезо-двигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструмен-тов (поиска нужных объектов на изучаемой поверхности).

В это же время Дэвид Джонс ( David Jones) теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник, а физхимик-ор-ганик Эйдзи Озава ( Eiji Osawa) предположил существование полой высокосимметричной молекулы Сб0 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо ( Alfred Cho) и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур ( John Arthur) обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем (А, 1 нм = 10 А), применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектри-ков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

В 1973 году советские ученые Дмитрий Анатольевич Боч-вар и Елена Григорьевна Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фулле-рена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера ( Kim Eric Drexler), работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман ( John Von Neumann) — ученый, разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.

Нейман родился в Венгрии, в еврейской семье, его предки были выходцами из России.
Роберт А. Фрейтас ( Robert A. Freitas) отмечал: «Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу». Самовоспроизводящиеся машины (автоматические репликаторы) — ключевое свойство нанороботов, ток как эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие, более совершенные создания.

Фон Нейман был активным антикоммунистом. Однажды во время слушаний в Сенате США он заявил о своей идеологии как о «резко антикоммунистической и более воинственной, чем просто нормальной». Он призывал к предупредительной атомной атаке на Советский Союз, считая, что это не даст СССР возможность создать атомную бомбу.

В дальнейшем прогноз развития нанотехнологии рассматривался через представления, сформировавшиеся в более поздних работах К. Э. Дрекслера и его последователей: Р. Фрейтаса, Ральфа Меркле ( Ralph С. Merkle) и др.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигу-чи ( Norio Taniguchi) из Токийского университета.

Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10~9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт ( Wilhelm Barthlott) и Кристоф Найнуйс ( Christoph Neinhuis) обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений { Lotus - effect®), а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики Герд Карл Бинниг ( Gerd Karl Binnig) и Э. Руска, а также швейцарец Гейнрих Рорер ( Heinrich Rohrer) из Цюрихской лаборатории компании IBM (сокр. от англ. International Business Machines Corporation) испытали растровый туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 года). Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопрово-дящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.

Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъ-екты только на электропроводной подложке.

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода), по горизонтали — около 0,2 нм. По сути это уже не микроскопы, ананоскопы.

В 1980-1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул, в первую очередь — для металлов переходных структур.

При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер ( Herbert Gleiter), изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 годы, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение. В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, химика Гарольда Крото ( Harold Walter Kroto) из Сассекско-го университета, американских химиков Роберта Флойда Керла ( Robert Floyd Curl) и Джеймса Хита ( James Heath) и Шона О'Брайена ( Sean O' Brien) и под руководством Ричарда Смолли ( Richard Errett Smalley) в университете Раиса (США) Получил новый класс соединений — фуллерены и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициатором поиска был Г. Крото, который изучал лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена Сб0. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

В том же 1985 году немецкий физик Клаус Олаф фон Клитцинг ( Klaus Olaf von Klietzing) получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника (то есть квазидвухмерного электронного газа) начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Герберта Холла ( Edwin Herbert Hall). В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.

К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих микроскопов.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творения: наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности. Оказалось, однако, что этот термин ранее уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехноло-гиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне атома и молекулы) явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

В России первая отечественная нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева, заработала в 1987—1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта». Она была создана под руководством Петра Николаевича Лускиновича.

В это же время специалист по компьютерам Уоррен Ро-бинет ( Warren Robinet) и химик Стэн Уильяме ( Stan Williams) из университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор — робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.

Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Дональд Эйглер ( Donald Eigler) и Эрхард Швейцер ( Erhard Schweizer) из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы (рис. 1).

Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго — атомы быстро «испарились» с поверхности, однако сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Тех-нион) в честь 60-летия создания своего государства создали уже целую нанокнигу — Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм2 (размер булавочной головки).

Текст был набран с помощью фокусированного ионного пучка ( focused ion beam — FIB), вытравливавшего (с помощью ионов галлия) узор на золотой подложке (толщиной 200 нм), покрывавшей основание из кремния. Если само нанесение текста заняло не более полутора часов, то программное обеспечение для управлявшего этим процессом компьютера разрабатывалось более трех месяцев.

Ознакомиться с содержанием этой Библии можно только с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллере-на (фуллерита) был предложен в 1990 году Вольфгангом Креч-мером ( Wolfgang Kratschmer) и Давидом Хафманом ( David Huffman) с коллегами в Институте ядерной физики Гейдельберга (Германия).

Углеродные нанотрубки открыл в 1991 году японский исследователь Сумио Ииджима ( Sumio lijima) из компании NEC (сокр. от англ. Nippon Electric Corporation). В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Его заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной (подобной карандашу), или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по краям полусферическими крышечками из семи - или восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

На электронных микрофотографиях (рис. 2), полученных на трансмиссионном электронном микроскопе с высоким разрешением, были обнаружены цилиндрические молекулы с пятью (а), двумя (Ь) и семью (с) концентрическими стенками ( S. lijima, Nature, London. 1991. Vol. 354, p. 56).

Первые синтезированные нанотрубки были многослойными, и сразу возникла задача синтеза однослойных углеродных нанотрубок. В результате исследований С. Ииджимой было установлено, что добавление небольшого количества порошка катализатора (кобальта, никеля или железа) в графитовые электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. Металлическая добавка является катализатором, предотвращающим образование фуллеренов и многослойных нанотрубок. При этом наличие катализатора также обеспечивает снижение температуры синтеза, в результате температура вольтовой дуги не превышает температуру, при которой нанотрубки спекаются или сливаются друг с другом.

Следует отметить, что теоретическая возможность образования цилиндрической нанотрубки была предсказана значительно раньше, в 1977 году, советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании было высказано русским ученым Леонидом Александровичем Чернозатонским.

В научной литературе имеются данные, что аналогичные структуры наблюдались рядом ученых еще в 1952—1953 годах, но детально они изучены не были.

Также в 1991 году началась разработка первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Аналогичную программу разрабатывали в Японии по поручению правительства. Была намечена серия проектов, направленных на создание приборов нано-метрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, и в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

В 1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены. В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже.

В своей следующей не менее известной книге Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation («Наноси-стемы. Молекулярные механизмы, производство и программирование»), вышедшей в свет в 1992 году, К. Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологии в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц — нанопорошки, нанопокры-тия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным оставалось создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции открылся клуб нанотехнологов, объединявший ученых и промышленников различных отраслей.

В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», в которых публиковалось множество научных работ, посвященных на-нотехнологическим комплексам, их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создавались лаборатории и отделы наноструктур, которые возглавляли известные ученые.

На пятой Форсайтовской конференции К. Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие пять лет (1998—2003 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.

В 1998 году Роберт Беттс Лафлин ( Robert Betts Laughlin), Хорст Людвиг Штермер ( Horst Ludwig Stormer) и Дэниел Чи Цуи ( Daniel Chee Tsui) были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, заключающегося в том, что в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.

Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер ( Siz Dekker) создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

В этом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов.

Еще через год (в 1999 году) американские ученые — физик Марк Рид ( Mark Reed, Йельский университет) и химик Джеймс Тур ( James Tour, Райсский университет) — разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.

В 2000 году немецкий физик Франц Гиссибл ( Franz Giessibl) разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле ( Robert Magerle) предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.

В 2003 году профессор Фенг Лью ( Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссиб-ла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

Развитые страны мира очень активно включились в исследования по проблемам нанотехнологий на уровне правительств и глав государств, оценив, какие перспективы это может принести в будущем. В Японии действующая с 1999 года «Национальная программа работ по нанотехнологий» получила высший государственный приоритет «Огато». Проект спонсируется не только государством в спонсорскую деятельность вовлечено около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансируется около 10 проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологий — квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, а также направленных на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Крупнейшие из них — Atom Craft project и Аопо project, связанные с атомной сборкой, проект функциональных квантовых приборов и др. Основные разработки проводятся в центре перспективных технологий «Цукуба». По заявлениям руководителей этих проектов, они формируют технологию XXI века и планируют заложить основу для разработки терабитных кристаллов.

Развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наиболее активно поддерживается правительством США. Так, еще администрацией Билла Клинтона была предложена национальная программа исследований нано-технологий с целью поддержки долгосрочных исследований и разработок, ведущих к значительным открытиям в области новых наноматериалов, наноэлектроники, медицины и здравоохранения, энергетики, химической промышленности, биотехнологий, сельского хозяйства, информационных технологий и национальной безопасности.

С 2001 года в США реализуется федеральная программа под названием National Nanotechnology Initiative ( AW/- «Национальная нанотехнологическая инициатива»). В бюджете США на данное направление было выделено 270 млн долларов, при этом коммерческими компаниями в него вложено в 10 раз больше средств. Программа предназначена для координации усилий 23 государственных организаций-участников в области развития нанонауки, наноинженерии и нано-технологии. Данная программа была одобрена Конгрессом США в ноябре 2000 года, но уже в том же году реальное финансирование NNI значительно превысило запланированные расходы (422 млн долл.).

С 3 декабря 2003 года в США реализуется закон 21 st Century Nanotechnology Research and Development Act («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»), направленный на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки исследований в данной сфере.

В соответствии с этим документом пять государственных организаций — Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство ( NASA), Управление по охране окружающей среды — для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий получили от государства финансирование в размере 3,7 млрд. долларов сроком на четыре года. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Национальным институтом здравоохранения.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нано-технологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (в частности, по программе НАТО по нанотехнологий). Правительства и частный сектор все больше осознают нанонауку как источник новых технологий и процветания. Поэтому в сфере наноматериалов накопились огромные фонды от частных предприятий и правительств.

Для координации процесса становления и развития нанотехнологий в 2002 году в Европе создана некоммерческая организация «Европейская ассоциация нанобизнеса» ( ENA), основная цель которой — содействие развитию сильной и конкурентоспособной европейской промышленности, базирующейся на использовании нанотехнологий. Главная миссия ENA заключается в обеспечении профессионального развития зарождающегося нанобизнеса в ЕС. Государственная поддержка нанотехнологий в европейских странах, по данным за 2004 год, составила около 1,3 млрд долларов.

По данным консалтинговой компании Lux Research, в 2003 году общемировые суммарные расходы государственных структур и частных компаний на нанотехнологий достигли 6 млрд. долларов, из них 2 млрд составляло государственное финансирование. В 2004 году эти расходы выросли до 8,6 и 4,0 млрд долларов соответственно. При этом рынок нанотехнологий к 2005 году достиг 225 млрд долларов (данные Nanobusiness Alliance и Business Communications Co.). Большая часть из них (около 10%) в настоящее время приходится на сферу энергетики и нефтепереработки.

В целом, если к началу 2001 года рынок наноматериалов составлял 555 млн долларов, то в 2005 году он уже превысил 900 млн долларов и в настоящее время продолжает стремительно расти.

В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

Рассматривая наиболее весомые достижения российских ученых в области практической нанотехнологии, следует отметить награждение в 2000 году Жореса Ивановича Алферова и его американских коллег Герберта Кремера ( Herbert Kromer) и Джека Килби ( Jack St. Clair Kilby) Нобелевской премией в области физики за создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем. Известная в настоящее время светодиодная техника как раз базируется на так называемых гетероструктурах.

В России фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них — «Физика наноструктур» под руководством академика Российской академии наук (РАН) Ж. И. Алферова и «Перспективные технологии и устройства в микро - и наноэлектронике» под руководством академика РАН Камиля Ахметовича Валиева.

В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова осуществляются разработки на-ногетероструктур, получившие международное признание. Ежегодно проводится международная конференция «Наноструктуры: физика и технологии». Значительные результаты нанотехнологических исследований достигнуты в Институте проблем технологии и макроэлектроники РАН под руководством члена-корреспондента РАН Виталия Васильевича Аристова, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Васильевича Копаева.

Фундаментальные исследования в области химических технологий позволили получить нанокристаллические (НК) и сверхмикрокристаллические (СМК) материалы, обладающие комплексом особых физико-химических и механических свойств. Они могут успешно использоваться в экстремальных условиях эксплуатации: при низких температурах, в зоне интенсивного радиационного излучения, в высокона-груженных конструкциях и агрессивных средах. На основе НК - и СМК-структур можно создавать металлические и интерметаллические материалы с высокими демпфирующими свойствами, высокопрочные и сверхлегкие металлополи-мерные композиты для применения в постоянных магнитах, высоковольтных контактах, катализаторах и фильтрующих элементах, а также в медицине для изготовления сверхпрочных, сверхлегких, коррозионностойких костных импланта-тов.

Для развития и координирования работ в данной области в 2007 году было создано новое подразделение в Российской академии наук — Отделение нанотехнологии и информационных технологий. Академиком-секретарем отделения стал член президиума РАН, академик Евгений Павлович Велихов, а его заместителем — академик РАН Ж. И. Алферов.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией НТ-МДТ ( Molecular Device Tools for Nanotechnology), созданной в 1991 году в г. Зеленограде выпускниками Московского физико-технического института (МФТИ). В знак уважения к Ж. И. Алферову на сайте дочерней компании NT- MDT Со. размещена анодно-окислительная литография портрета российского ученого, выполненная сотрудником фирмы на сверхтонкой титановой пленке с использованием атомно-си-лового микроскопа (АСМ) методом локального зондового электрического окисления (рис. 3).

Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 г. № 498 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Цель данной программы — создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии.

В стране накоплена обширная научная база по нанотехнологиям. Однако ученые признают, что без поддержки государства и частных инвесторов они не могут самостоятельно развивать исследования и внедрять результаты в производство.

Для содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологии, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, в соответствии с Федеральным законом от 19 июля 2007 г. № 139-ФЗ «О Российской корпорации нанотехнологий», была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»). В ее уставный капитал государством направлены огромные для российской науки средства - 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах. Корпорация является некоммерческой организацией.

В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вице-премьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом «нанотехнологий» — это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще есть какие-нибудь нанотехнологий. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить...»

Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство выделять деньги не будет. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров — частных инвесторов.

«Роснанотех» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Корпорация выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

С начала приема заявок (1 апреля 2008 года) за два месяца в ГК «Роснанотех» поступило 448 проектов из 62 городов. Их общая ориентировочная стоимость — больше 130 млрд рублей. Ученые и инженеры в области нанотехнологий имеют шансы получить финансирование своих разработок, если представят проекты, которые через пять лет после начала реализации будут приносить прибыль в размере не менее 250 млн рублей.

Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «Роснанотех», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозицио-неров. Проект предусматривает создание промышленного автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, разработанные одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Рахов-ским, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования.

В настоящее время «Роснанотех» занимается финансированием инновационных российских разработок, промышленным производством уже известных нанотехнологий, а также организацией промышленного производства инновационных разработок.

Поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, корпорация развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.

По планам российского Правительства и научной общественности уже в 2015 году Российская Федерация должна изготовить продукцию с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов.

Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация — это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Электроэнергия из тепла человеческого те

News image

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали единственный в своем роде трансформ...

Раскрыта тайна треугольных снежинок

News image

Снегопад вопросов о таинственной треугольной форме снежинки вскоре может ослабеть, благодаря новым исследованиям по формированию сн...

Физики создали новую форму углерода

News image

В графите каждый слой повернут относительно нижележащего на 60 градусов (на иллюстрации). В МЭГ этот угол равен 30...

Наноcтержни: бегом по воде

News image

Трансляционная мобильность vtran ролика как функция удельной силы f, приложенной вдоль молекул ПАВ. Транспортировка наноразмерных по...

Новый вид утилизации отходов: старые пла

News image

Большинство из покупателей даже не задумывается над тем, куда деть отработавшие свое пластиковые пакеты из бл...

Терагерцовый сканер для авиапассажиров -

News image

США и Европа все еще не оправились от шока, вызванного попыткой теракта в американском авиалайнере, вы...

Ученые создали суперпрочный коллаген

News image

Команда ученых из университета Висконсин-Мэдисон (США) изобрела самый прочный из всех видов коллагена когда-либо известных на...

«Нано» всех стран объединятся?

News image

Идея первого международного бизнес-инкубатора для «нано» обсуждалась недавно в Финляндии. В совещании участвовали специалисты из Ки...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Нанотрубки научились получать в промышленных масштабах

Углеродные нанотрубки, основу для сверхпрочных материалов, можно будет получать в промышленных масштабах: благодаря изобретению американских химиков их стоимость заметно снизится. Нанотрубка – ...

Medfield - атомная платформа третьего поколения

Компания Intel с громкого успеха начала освоение платформы для ультрамобильных персональных компьютеров, известных также как нетбуки, и MID-аппаратов – только по...

Инновационный термометр поможет физикам, работающим со

Когда физики стремятся охладить атомы до еще более низких температуры, они сталкиваются с непростой задачей по разработке новых, более надежных сп...

Обои смогут защитить здание от повреждений

Berry Plastics в сотрудничестве с Army Corp of Engineers разработала новые обои, которые способны защитить здания от повреждений. Обои под на...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.