История нанотехнологических идей и осноположники новых технологий

УДК 378.147.809

Г. Г. Амирова

ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИДЕЙ И ОСНОПОЛОЖНИКИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Ключевые слова: нанонаука, нанотехнология, основные принципы молекулярного конструирования,, самовоспроизводящиеся, механосинтез, квантовые каскадные лазеры, молекулярно-лучевая эпитаксия, углеродные нанотрубки,наноэлектромеханические системы, спинтроника, наноустройство.

Нанотехнология, в ее традиционном смысле, означает конструирование предмета снизу вверх, с атомной точностью. Эта теоретическая возможность была задумана еще в 1959 году и на протяжении последующих десятилетий приводит к формированию новой парадигмы развития науки, технологии, социальной жизни общества. В настоящее время, нанотехнология включает группу новых технологий, в которых структура материи контролируется в нанометровом масштабе. В статье анализируются основные вехи исторического развития со ссылками на внесенный вклад в нанонауку известных зарубежных ученых и научных школ.

Keywords: nanoscience and nanotechnology, fundamental principles of molecular design, self-replicating, mechanosynthesis, and quantum cascade lasers, molecular beam epitaxy, carbon nanotubes, nanoelectromechanical systems, spintronics, nanodevice.

Nanotechnology, in its traditional sense, means the construction of the object from the bottom up, with atomic precision. This theoretical possibility was conceived in 1959 and over the next decades, has led to a new paradigm of development of science, technology, social life. Currently, nanotechnology involves a group of new technologies, in which the structure of matter is controlled at the nanometer scale. The article analyzes the historical development of nanoscience with the reference to the contribution offamous foreign scientists and scientific schools to nanoscience.

Ранняя история нанонауки и нанотехнологии начинается в середине пятидесятых годов прошлого века с Ричарда Фейнмана (1918-1988), К. Эрика Дрекслера, Ричарда Смолли (1943-2005) известных как основатели новой науки [5, 7, 8].

Нанотехнология в ее традиционном смысле означает создание вещи снизу вверх, с атомной точностью. Эта теоретическая возможность была задумана еще в 1959 году известным физиком Ричардом Фейнманом. Его речь «Там много места внизу: приглашение войти в новую область физики» была впервые произнесена в Калифорнийском Институте Технологии 29 декабря 19 59 года.

Его идеи основывались на трех очевидных фактах: 1) Биология демонстрирует молекулярные машины; 2) Химия создает различные молекулы; 3) Инженерия строит системы из частей.

Ричард Фейнман утверждал, что миниатюризация является новой областью исследования, в которой мало что было сделано, но в которой в принципе можно сделать очень многое.

Вот некоторые идеи, сформулированные Ричардом Фейнманом:

- Мельчайшие клетки чудесных биологических систем содержит всю информацию по организации сложных существ, таких как мы сами.

- Вся эта информация содержится в очень небольшой части клетки в виде молекул ДНК с длинной цепью, в которой около 50 атомов используются для одного бита информации о клетке.

- Биология - это не просто запись информации; она что-то делает с ней.

- Мы также можем сделать очень маленький предмет, который будет делать то, что мы захотим. Мы можем изготовить объект, которым сможем манипулировать на этом уровне.

Термин «нанотехнология» был

популяризован в 1980-егоды Кимом Эриком

Дрекслером (родился 25 апреля 1955 г. в г. Аламеда, Калифорния), который был в свое время студентом Ричарда Фейнмана. В своей работе, опубликованной в 1981году в Трудах Национальной Академии Наук (Proceedings of the National Academy of Sciences) установил фундаментальные принципы

молекулярного проектирования, белковой инженерии, продуктивных наносистем. Он говорил о строительстве машин в масштабе молекул, двигателей размером в несколько нанометров, манипуляторов роботов, и даже целых компьютеров, размерами намного меньше, чем клетки. Дрекслер провел десять лет, описывая и анализируя эти невероятные устройства, и отвечая на обвинения в том, что он писатель-фантаст.

Между тем, химическая технология развивала способность строить простые структуры на молекулярном уровне. По мере того, как нанотехнология становилась принятым понятием, значение слова изменялось, охватывая более простые виды технологий нанометрового масштаба. В США была создана Национальная Нанотехнологическая Инициатива (U.S. National Nanotechnology Initiative) с целью финансирования всех видов нанотехнологий, работающих с предметами менее 100 нанометров с новыми свойствами. Сразу же после публикации своей книги Дрекслер основал Форсайтовский Институт, провозглашенной целью которого является «обеспечить выгодную реализацию

нанотехнологий» [4].

Дрекслер использовал этот институт для представления своего видения молекулярного производства, которое он очень живо

проиллюстрировал в работе «Машины Созидания» ("Engines of Creation"). Таким образом, этот «институт» используется как влиятельное учреждение для распространения представлений (иногда весьма спорных) о нанотехнологии и ее будущего. В последнее время Дрекслер и его

институт работают в сотрудничестве с Всемирным Фондом (World Wide Fund), разрабатывая основанные на нанотехнологии решения глобальных проблем, таких как энергетика и изменение климата. Дрекслер первым получил докторскую степень по наносистемам, защитив докторскую диссертацию в Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology). Др. Дрекслер является главным техническим советником компании Нанорекс (Nanorex), занятой разработкой программного обеспечения с открытым исходным кодом для структурных нанотехнологий ДНК. Он консультирует и выступает с докладами о том, как получать большую отдачу от современных исследований, а также рассматривает возможные последствия новых технологий для нашего будущего, включая их использование, а не откладывание в долгий ящик, для решения масштабных проблем, таких как глобальное потепление.

В качестве примера приведем концепцию Фабрики Грез Дрекслера:

Теория. Согласно концепции Дрекслера, цель нанотехнологии состоит в создании молекулярных сборщиков - наноразмерных заводов, способных строить объекты в любом масштабе, атом за атомом. В отличие от обычной химии, в которой бесчисленные молекулы взаимодействуют, Дрекслер предложил метод «механосинтеза», который включает позиционирование индивидуальных молекул на близком расстоянии друг от друга, так чтобы более сильные химические притяжения могли преодолеть более слабые контролируемым путем, чтобы по желанию осаждать или удалять атомы. Технология. Исходя из образа этой гипотетической мельницы, ленточный конвейер приводит в движение производственную линию под сборочным колесом, снабженным инструментами с наконечниками из реактивного германия, которые можно заменить альтернативными наконечниками, чтобы осаждать или удалять различные типы атомов. Механизм, по мере прохождения, помещает по одному атому водорода на каждую молекулу. В представлении Дрекслера, система таких машин будет в состоянии построить все, что угодно, быстро и недорого.

Проблема. На практике, критики Дрекслера говорят, что химия - более сложная наука. Каждый атом в молекуле взаимодействует с каждым другим атомом, расположенным поблизости, включая атомы предполагаемых наконечников инструментов, конвейерных лент, мельничного колеса и т.д. Таким образом, для осаждения одного атома, наносборщик должен сдерживать каждый атом в непосредственной близости. Само по себе количество атомов, которые необходимо контролировать, и количество машин, которые нужны для осуществления контроля, делают механосинтез Дрекслера практически невозможным. Но кто знает?

Некоторые ученые подвергли критике взгляды Дрекслера как невозможные и вредные. Ричард Смолли (R. Smalley) возглавил это движение

против почти сенсационных взглядов Дрекслера на молекулярное производство. В открытых дебатах в 2003 году Смолли пишет почти саркастически: «вы не можете заставить конкретный химический процесс происходить по желанию между двумя молекулярными объектами с помощью простого механического передвижения вдоль нескольких степеней свободы в ассемблере с фиксированной системой отсчета» [8]. Более того, он отчитывал Дрекслера, говоря: «Вы и люди вокруг вас пугают наших детей, в то время как наше будущее в реальном мире итак будет сложным, мы будем сталкиваться с реальными рисками. Однако не будет таких монстров, как самовоспроизводящиеся механические нанороботы, о которых вы мечтаете»

[7].

Благодаря гласности, порожденной как работами Дрекслера, так и исследованиями Института науки и технологии - Institute of Science and Technology (KIST), Ученые во всем мире начали проявлять интерес к области нанотехнологий Др. Ричард Смолли (1943-2005), например, особо подчеркивал, что был поклонником Эрика, и что работы Дрекслера оказали на него такое сильное влияние, что он начал заниматься нанотехнологией. Более того, он даже называл книгу Дрекслера отличным руководством по принятию решений. Хотя и критикуя Дрекслера в последующие годы, Смолли, как и другие ученые [9], был заинтригован этой книгой, и продолжал проводить исследования в этой новой и развивающейся области. Научная работа в этом направлении оказалась чрезвычайно успешной. В 1996 г. Ричард Е. Смолли, вместе с Робертом Ф.Кёрлом и Гарольдом В. Крото получили Нобелевскую Премию за открытие фуллеренов.

В отличие от радикальных взглядов Дрекслера, Смолли реалистично полагал, что нанотехнология может использоваться на более практическом и достижимом уровне. В результате, в связи с критикой со стороны ученых, таких как Ричард Смолли, нанотехнология из видения Дрекслером молекулярного производства превратилась в широкое поле научной деятельности, которое охватывает и практические производственные, и не производственные виды деятельности. Химия, материаловедение, и молекулярная инженерия сейчас входят в состав этой науки.

Альфред Йи Чо (китаец, родился 10 июля 1937 г.) является адъюнкт-вице-президентом компании Полупроводниковых Исследований (Semiconductor Research) в Alcatel-Lucent Bell Labs. Он известен как «отец молекулярно-лучевой эпитаксии», технологии, которую он разработалв конце 1960-х. Он также являлся соавтором Федерико Капассо в разработке квантовых каскадных лазеров в BellLabs в 1994 г.

В июне 2007 г. он был удостоен Национальной медали США за разработки в области технологий, высшей наградой, присуждаемой Президентом США за технологические инновации.

Чо получил награду за вклад в изобретение молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и за работу по коммерциализации этого процесса.

Сумио Иидзима (Sumio Iijima) (родился 2 мая 1939 г.), японский физик, считается ученым, открывшим углеродные нанотрубки. Хотя существование углеродных нанотрубок было известно до его «открытия», работа Иидзимы 1991года привлекла беспрецедентный интерес к углеродным наноструктурам и с тех пор подпитывала интенсивные исследования в области нанотехнологий [6]. За эту и другие работы Сумио Иидзима был награжден, вместе с Луисом Брусом, впервые учрежденной премией Кавли за достижения в области нанонауки в 2008 г.

Родившийся в префектуре Сайтамав 1939 г., Иидзима в 1963 г. окончил со степенью бакалавра технических наук Университет Электросвязи в Тохоку. Он получил степень магистра в 1965 году и завершил свою докторскую работу со степенью доктора философии в области физики твердого тела в 1968 году, также в университете Тохоку в Сендае. С 1970 по 1982 гг. он проводил исследование, связанное с кристаллическими материалами и с использованием электронной микроскопии высокого разрешения в Университете штата Аризона. В течение 1979 года Иидзима проводил исследование углеродных материалов в Кембриджском университете, изучал ультратонкие частицы. Он был награжден Медалью Бенджамина Франклина в области физики в 2002 году Benjamin Franklin Medal in Physics in 2002, "За открытие и определение атомной структуры и спирального характера мульти-стенных и одностенных углеродных нанотрубок, которые оказали огромное влияние на быстро растущее направление конденсированного состояния и материаловедения в области наноразмерной науки и электроники» [1]. Он иностранный член Национальной Академии Наук США, иностранный член Норвежской Академии наук и литературы. Кроме того, он является членом Японской академии наук.

Ниже мы перечисляем основные вехи истории раннего периода развития нанонауки [12]:

1959 г. - Доклад Фейнмана о перспективах миниатюризации. Его речь «Там внизу много места: Приглашение в новую область физики» была впервые произнесена в Калифорнийском Технологическом Институте 29 декабря 1959 г.

1968 г. - Альфред Чои Джон Артур изобрел и молекулярно-лучевую эпитаксию, метод осаждения слоя единичных атомов на поверхности. Система молекулярно-лучевой эпитаксии используется для выращивания и изучения тонких кристаллических пленок оксидов и керамики для понимания химических процессов, которые происходят в оксидах и на керамических поверхностях.

1981 г. - Герд Бинниг и Генрих Рорер создали Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который может давать изображения отдельных атомов [2]. За это открытие они получили Нобелевскую Премию по физике в 1986 г. СТМ является электронным микроскопом, который

использует наконечник из одного атома, чтобы получить атомное разрешение. Обычно используют вольфрам. Электрохимическое травление позволяет создать очень острые наконечники.

1985 г. - Роберт Кёрл, Гарольд Крото и Ричарл Смолли создали бакиболлы, которые составляют около 1 нм в диаметре [3]. Только в 1991г. Наука о бакиболлах стала самостоятельной. Сферические бакиболлы буквально добавили новое измерение в химию ароматических соединений. Бакминистерфуллерен был назван Молекулой Года. Помимо открытия новой области химии, C60 также проявляет интересные физические свойства. Он устойчив к удару и при использовании в качестве смазочного вещества проявляет свойство сверхпроводимости и как добавочный ингредиент делает алмазные пленки более практичными.

1986 г. - K. Эрик Дрекслер опубликовал "Машины Создания", футуристическую книгу о нанотехнологии [5]. Дрекслер изображает мир, в котором целая Библиотека Конгресса может разместиться на чипе размером с кубик сахара и где универсальные ассемблеры, крошечные машины, которые могут строить объекты атом за атомом, будут использоваться повсюду - от медицинских роботов для чистки капилляров до экологических скрубберов, которые будут очищать воздух от загрязняющих веществ. В своей книге Дрекслер впервые описал сценарий «серой слизи» (вышедших из под контроля нанороботов) - прогноз того, что может случиться, если использовать молекулярную нанотехнологию для создания бесконтрольных самовоспроизводящихся машин.

1989 г. - Дональд Эйглер из IBM, используя единичные атомы, написал буквы "IBM". 28 сентября 1989 года он достиг верхней точки в способности человечества построить малые структуры, демонстрируя способность управлять отдельными атомами с атомной точностью [4]. Дональд M. Эйглер - американский физик, работающий в исследовательском центре компании IBM, известный достижениями в нанотехнологии. В 1989 году он первым использовал наконечник сканирующего туннельного микроскопа, чтобы разместить отдельные атомы на поверхности и написать буквы "IBM" из 35 атомов ксенона. Позже он создал первые квантовые кораллы, которые являются четко определенными квантово-волновыми моделями небольшого числа атомов. Он создал наноразмерные логические схемы с использованием отдельных атомов оксида углерода. Эйглер совместно с Эрхардом К. Швейцером в 1989 г. по-новому использовали сканирующий туннельный микроскоп, изобретенный в середине 1980-х годов Гердом Биннингом и Генрихом Рорером, также работавшими в IBM. Микроскоп ранее использовался для получения изображения с атомным разрешением, но на этот раз он был использован в качестве активного технического средства для точного позиционирования отдельных атомов на поверхности. Технология требует условий вакуума и сверхнизких температур, достигаемых путем охлаждения жидкого гелия, что было

показано на обложке журнала Nature. В то время это рассматривалось как потенциальный первый шаг в механосинтезе.

1991г. - Сумио Иидзима из японской компании NEC открыл углеродные нанотрубки. 7 ноября 1991 г. Сумио Иидзима объявил в журнале Nature о получении наноразмерных, иглообразных углеродных трубок — сейчас известных как «нанотрубки». У нанотрубок, используемых сейчас в микроэлектронике и микроскопии а также как тестовый инструмент в квантовой механике и в качестве модели биологических систем, имеется безграничный потенциал [6].

1998 г. - создание транзистора из углеродной нанотрубки в Дельфтском Университете в Нидерландах. Полевой транзистор из углеродной нанотрубки (CNTFET) относится к полевым транзисторам, который использует единичную углеродную нанотрубку или упорядоченный ряд углеродных нанотрубок как канал, а не как массив кремния в традиционной структуре. В этом состоит потенциальная возможность использования альтернативного материала, чтобы в будущем заменить кремний в электронике.

1999 г. - Джеймс Тур и Марк Рид показали, что отдельные молекулы могут выступать в качестве переключателей [8]. Они предложили дизайн стабильного молекулярного электронного переключателя, который содержит двойную бензольную молекулу, соединяющую мостиком пару электродов на основе УНТ. Влияние различных связей между молекулой и электродами на функцию переключателя системы изучается с использованием функции и сильной связи Грина. Система сохраняет стабильную переключающую функцию в большом диапазоне расстояния образования пары, пока остается п соединение между молекулой и остатки УНТ.

2000 г. - Эйглер с соавторами разработали квантовый мираж, поместив магнитный атом в фокусе эллиптического кольца атомов и создав мираж атома в другом фокусе. Результаты группы Дональда Эглера включают изобретение квантовых кораллов, открытие квантового эффекта миража, демонстрацию принципиально нового способа передачи информации через твердое тело с использованием модулированных квантовых состояний, демонстрацию нанометровых логических схем на основе молекулярных каскадов, и изобретение спектроскопии спинового возбуждения [4]. Совсем недавно новым достижением работы исследователей исторической

лаборатории Эйглера стала возможность измерения магнитных свойств отдельных атомов, а также возможность измерения силы, необходимой для перемещения отдельных атомов.

1999 г. - Майкл Ли Роукс организовал и провел первый международный семинар по NEMS (Нано Электро Механические Структуры), а затем большую международную конференцию по наномасштабной и молекулярной механике в 2002г. Нанотехнологии это группа новых технологий, в которых структура материи контролируется в нанометровом диапазоне, в масштабе небольшого числа атомов, для производства и устройств, которые имеют полезные и уникальные свойства. Некоторые из этих технологий используют лишь ограниченный контроль над структурами нанометрового диапазона, но они уже используются, производя полезную продукцию. Происходит их дальнейшее развитие для производства еще большего разнообразия продуктов, в которых структура материи является более точно контролируемой [8 - 11].

Литература

1. B. Franklin, Medal in Physics. Franklin Institute, 2002.

2. G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, E. Weibel. Physical Review Letters, 49, 1, 57-61

3. R. Curl, Reviews of Modern Physics 69

4. Don Eigler, IEEE Global History Network. Institute of Electrical and Electronics Engineers, N.Y., 2012. 342 p.

5. K. Eric Drexler, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Updated and Expanded. WOWIO Books, 2007. 646 p.

6. Sumio Iijima, Nature, 354, 56-58

7. R.E. Smalley, Supersonic Bare Metal Cluster Beams, Final overview report, Rice University, U.S. Department of Energy-Office of Energy Research, 1997

8. J.M. Tour, Nature Materials, 2014. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://dx.doi.org/10.1038/nmat3961

9. Г.Г. Амирова, И.Х. Зиганшин, Вестник Казанского технол. университета, 14, 15, 272-276

10. Э.М. Муртазина, Вестник Казанского технол. университета, 9, 728-732

11. Э.М. Муртазина, Г. Г. Амирова, Вестник Казанского технологического университета, 16, 9, 336-342

12. Э. М. Муртазина, Г.Г. Амирова, English for Professional Communication. Учеб. пособие по дисциплине «Иностранный язык» для бакалавров по направлению 152200.62 «Наноинженерия», изд-во КНИТУ, Казань, 2012. 256 с.

© Г. Г. Амирова - канд. пед. наук, доц. каф. «Иностранные языки в профессиональной коммуникации» КНИТУ, amirova_guzel@mail.ru.

© G G Amirova - Ph.D. in Pedagogy, Associate Professor, Department of Foreign Languages for Professional Communication of KNRTU, amirova_guzel@mail.ru.