Основные вехи в развитии нанотехнологии (обзор зарубежных публикаций)

УДК 547.2/ 66.0

Э. М. Муртазина, О. И. Лефтерова

ОСНОВНЫЕ ВЕХИ В РАЗВИТИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: нанонаука, история нанотехнологии , активные наноструктуры, системы наносистем, наноинженерия, гетерогенные молекулярные наносистемы.

Данный обзор основан на анализе зарубежных материалов, представленных в открытой печати в журналах Science, Nature, J.Chemical Engineering Science и статей на английском языке, выложенных в открытом доступе в Интернет. В работе дается описание наиболее значимых открытий в области нанотехнологии и наноматериалов, совершенных учеными в ведущих научных центрах мира, а также дается краткое изложение основных положений из некоторых публикаций авторов исследований.

Keywords: nanoscience, history of nanotechnology, active nanostructures, systems of nanosystems, nanoengineering,

heterogeneous molecular nanosystems.

This review is based on the analysis of foreign materials presented in the journals Science, Nature, J. Chemical Engineering Science, and articles in English, laid out in the open access in the Internet. The paper lists the most important discoveries in nanotechnology and nanomaterials, which became cornerstones for the technological breakthrough in physics, chemistry and production of the 21st century. It also presents a brief summary of some research results obtained by the authors of publications.

В современном понимании нанотехнология

- это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического знания, практических методов анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Возникновение нанотехнологии и нанонауки восходит к периоду, когда закладывались ее теоретические концепции и проводились первые экспериментальные исследования, то есть к концу пятидесятых годов прошлого века, хотя основополагающие открытия в этой области науки были сделаны в 1980-е, 1990-е годы. Зарождение концептуальных положений нанотехнологии связано, прежде всего, с именами Ричарда Фейнмана, Норио Танигучи, К. Эрика Дрекслера и Ричарда Смолли.

Американский физик Ричард Фейнман произнес свою знаменитую речь “Там внизу много места” в Американском Физическом Обществе 29 декабря 1959 года [1]. Считается, что именно эта речь вдохновила исследователей начать работы в области нанотехнологии. Фейнман описал процесс, с помощью которого можно было манипулировать отдельными атомами и молекулами, используя набор высокоточных инструментов, которые могут развиваться, создавая себе подобные, только меньшего размера и так далее, пока не будет достигнут необходимый размер. В процессе такого уменьшения, отмечал Фейнман, будут возникать новые физические явления: гравитация будет терять свое значение, и наоборот, влияние поверхностного натяжения и ван-дер-ваальсовых сил притяжения значительно возрастет. Эта основополагающая идея была воспринята как правдоподобная. А экспоненциальная сборка обещала получение полезного количества готовой продукции.

Сам термин «нанотехнология» был впервые использован профессором Токийского университета Норио Танигучи в 1974 году, который писал: «Нанотехнология, в основном, состоит из обработки, разделения, консолидации и деформации материалов по одному атому или по одной молекуле» [2]. Более глубокое развитие это определение получило в 1980е годы в работах Эрика К. Дрекслера, который обосновывал технологическую значимость явления нано-размерности и нано-устройств в своих выступлениях и книгах: «Двигатели Созидания: Грядущая Эра Нанотехнологии»; «Наносистемы: Молекулярные Машины, Производство и Вычисления» [3;4].

Хотя нанотехнология относится к сравнительно недавно появившемуся направлению развития научных исследований, основные ее концепции были известны достаточно давно. Однако полномасштабное развитие нанотехнологии и нанонауки началось с начала 1980-х годов с двух важных событий: рождения науки о кластерах и изобретения сканирующего туннельного

микроскопа, что привело к открытию фуллеренов в 1986 году и углеродных нанотрубок несколько лет спустя. В дальнейшем появились исследования, посвященные синтезу и изучению свойств полупроводниковых нанокристаллов, что привело к быстрому увеличению числа исследований, посвященных изучению квантовых точек, состоящих из наночастиц оксидов металлов. Атомно-силовой микроскоп был изобретен спустя шесть лет после сканирующего туннельного (зондового) микроскопа. Коммерческое использование нанотехнологии началось в начале 2000-х годов, хотя оно было ограничено использованием нано-продуктов, а не трансформационных технологий.

Форсайтовский Институт составил Технологическую Дорожную Карту для Производственных Наносистем [5] и определил основные вехи в развитии нанотехнологии.

История нанотехнологии в хронологическом порядке представлена следующим образом.

1959

"There's Plenty of Room at the Bottom (Там внизу много места)," - речь физика Ричарда Фейнмана на заседании Американского Физического Общества в Калифорнийском Технологическом Институте.

1974

Танигучи использовал термин "нанотехнология" в работе по ионно-распылительной обработке материалов с нанометровой точностью, он предложил относить к этой технологии механизмы размером менее одного микрона. При этом, были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1977

Дрекслер впервые представил концепцию молекулярной нанотехнологии в Массачусетском Институте Технологии.

1981

Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. За этот прибор они впоследствии получили Нобелевскую премию. СТМ был первой машиной, разработанной с использованием нанотехнологии в ее конструкции. СТМ позволяет видеть и манипулировать индивидуальными атомами. (В

России этот микроскоп получил название сканирующего зондового микроскопа - СЗМ.)

1985

Открытие Бакиболла (бакминстерфуллерена) -

кластерной углеродной структуры, содержащей от 10 до 1000 атомов и по форме напоминающей футбольный мяч. В том же году трое американских химиков: Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли (Нобелевские лауреаты 1996 г.) создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

1986

Изобретена атомно-силовая микроскопия (АСМ), являющаяся разновидностью сканирующей зондовой микроскопии и имеющая сверхвысокое разрешение. Эрик Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, доказывал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, дал глубокий анализ технических проблем, стоявших на тот момент перед нанотехнологией.

1987

Первый белок получен с помощью генной инженерии.

1988

Впервые в университете Стенфорда начал читаться курс нанотехнологии.

1989

Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1990

Япония начала финансировать нанотехнологические

проекты. Начал издаваться первый журнал по нанотехнологии.

1991

Компания IBM утверждает метод сборки «снизу-вверх». Японское Министерство Международной Торговли и Промышленности выделило 200 млн. долларов на развитие нанотехнологии. Открытие углеродных нанотрубок.

1992

В конгрессе США впервые заслушан доклад о нанотехнологии. Опубликован первый учебник по нанотехнологии.

1993

Присуждена первая Фейнмановская премия по нанотехнологии. Издание и представление администрации США книги К. Эрика Дрекслера "Машины создания.Грядущая эра нанотехнологии". Создание первого университетского

нанотехнологического центра.

1994

Первый учебник по наносистемам использован в университетском курсе.

1995

Первый промышленный анализ военного применения. Первый отчет по результатам мозгового штурма.

1996

НАСА начинает работу в области вычислительной нанотехнологии.

1997

Первые разработки нанороботов.

1998

Голландский физик Сиз Деккер, профессор Делфтского Технического университета, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

1999

Издано первое руководство по безопасности, первая книга по наномедицине.

2000

Президент Билл Клинтон объявил о начале реализации программы Национальной

Нанотехнологической Инициативы США на базе Калифорнийского Института Технологии. Тогда из федерального бюджета было выделено 500 млн. долларов на поддержку исследований в области нанотехнологии.

2001

Первое сообщение о нанотехнологической промышленности. Нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии -"прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

2002

Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

2003

Дебаты Дрекслера/Смолли опубликованы в журнале Chemical & Engineering News.

2005

С этого года начинаются работы по созданию активных наноструктур (с появлением

незапланированных функций), например,

нанотранзисторов нового поколения, усилителей, лекарств и химикатов, актуаторов, молекулярных машин, молекулярных двигателей со световым приводом, плазмоник, наномасштабных жидкостей, лазерных излучающих устройств, адаптивных структур. «Активные» наноструктуры со временем, в процессе работы изменяют свои состояния. Например, актуатор изменяет свои размеры, а частица, доставляющая лекарство, изменяет свою морфологию и химический состав. Новое состояние может также подвергаться последовательным

изменениям в плане механических, электронных, магнитных, фотонных, биологических свойств. Выделяют две подкатегории: 1) биоактивные

наноструктуры; и 2) физико-химические активные наноструктуры.

2010

С этого года начинается создание наносистем и наноструктур третьего поколения, в которых используются различные технологии синтеза и сборки, такие как биосборка, построение сетей наномасштабной, многошкальной и иерархической архитектуры, робототехника на поверхностях, модульные наносистемы, химическая и

механическая обработка молекулярных и квантовых наносистем. В наномедицине ведутся исследования по созданию искусственных органов с помощью наноразмерной тканевой инженерии. В

наноэлектронике происходит разработка новых устройств на основе переменных величин состояния, иных, чем электрический заряд (например, электрон-спинового, ядерно-спинового или фотонного состояний). К потенциальным продуктам высокого риска относятся: роботы с поведенческими

характеристиками, эволюционирующие

искусственные органы, модифицированные вирусы и бактерии, и модификации мозга. Несколько областей развития с потенциально более высокой степенью риска включают: поведение нанороботов,

регенеративную медицину, интерфейсы мозг-

машина, наноинженерию в сельском хозяйстве.

Наносистемы начинают использоваться для изготовления и обработки изделий, а также в других конвергентных технологиях.

Прогноз на период 2015-2020

В эти годы, по прогнозам Ортвина Ренна из Штутгартского университета (Германия), и Михаила Роко из Национального Научного Фонда (США) [6], будут развиваться наносистемы четвертого поколения, включающие гетерогенные

молекулярные наносистемы, в которых каждая

молекула имеет специфическую структуру и играет роль, отличную от других. Молекулы будут использоваться в качестве устройств и принципиально новые функции будут возникать из инженерных конструкций и архитектуры. Таким образом, исследователи будут приближаться к биологическим способам работы систем. Однако в биологических системах на водной основе обработка информации происходит относительно медленно и имеет несколько иерархических шкал. Создание новых атомных и молекулярных ансамблей, как ожидается, будет приобретать все большее значение. Среди них - макромолекулы целенаправленной самосборки, наноразмерные машины, субклеточные вмешательства, направленная и многомасштабная самоорганизация, контролируемые взаимодействия между светом и веществом, имеющие отношение к преобразованию энергии и использованию квантового контроля. Для создания этого поколения наносистем большое значение будет иметь конвергенция нано-биоинформационных наук и наук о мышлении. Наномедицина будет включать наноразмерную генетическую терапию, методы противодействия старению клеток и наноразмерную контролируемую терапию стволовыми клетками. В наноэлектронике, можно было бы представить себе молекулярные и супрамолекулярные компоненты заданного строения в виде модульных компонентов для транзисторов. Примерами возможных продуктов высокого риска являются: молекулярные устройства заданной конструкции, молекулы с атомарным дизайном, большие нано-био- или гибридные системы с новыми функциями, эволюционные клетки и самовоспроизводство больших наноструктурированных систем. Потенциально несколько более высокой степенью риска отличаются: нейроморфическая инженерия,

комплексные системы, молекулярные наносистемы, используемые для производства и обработки продуктов, а также интерфейсы человек-машина.

Остановимся подробнее на описании некоторых применений этих открытий.

В нанотехнологии улучшенные материалы и продукты связаны с изменением физических свойств при уменьшении размеров. В наночастицах, например, резко увеличивается площадь поверхности по отношению к их объему. Их оптические свойства, например, флуоресценция, становится функцией диаметра частицы.

При введении наночастиц в основной материал они сильно влияют на механические свойства материала, такие как жесткость или эластичность. Например, традиционные полимеры можно армировать наноматериалами и получать легкие материалы, способные заменить металлы. Такие нанотехнологически усиленные материалы приводят к уменьшению веса конструкций с одновременным увеличением их стабильности и функциональности [7].

Биологическое и медицинское научное сообщество использует уникальные свойства наноматериалов для различных целей (например,

контрастные вещества для получения изображения клеток и препараты для лечения рака). Такие термины как биомедицинская нанотехнология, биотехнология и наномедицина используются в зарубежной литературе для обозначения этой «гибридной» области знания. Функциональные возможности наноматериалов расширяются при соединении их с биологическими молекулами или структурами, которые имеют такие же размеры и могут использоваться in vivo и in vitro в биомедицинских исследованиях и областях

применения. Интеграция наноматериалов в биомедицину привела к разработке специальных диагностических средств: контрастных реагентов, аналитических инструментов, физических

терапевтических применений, средств доставки лекарств.

Нанотехнология может помочь в

воспроизведении или восстановлении поврежденных тканей. Так называемая "тканевая инженерия" использует искусственную стимуляцию

пролиферации клеток с помощью специального клеточного каркаса и факторов роста. Тканевая инженерия может заменить обычные методы лечения, например, трансплантацию органов и искусственные импланты.

Методы химического катализа и фильтрации

- это две области применения, в которых нанотехнология уже играет важную роль. Синтез позволяет получать новые материалы с заданными функциями и химическими свойствами, например, наночастицы с различным химическим окружением (лигандамины) или конкретными оптическими свойствами. В этом смысле химия действительно является основой нанонауки. В краткосрочной перспективе химия произведет новые наноматериалы, а в долгосрочной приведет к развитию процессов самосборки и выработке стратегий сбережения энергии и времени.

Высокий уровень научной активности в этой области создает большие возможности для химической технологии. В целом, этот процесс может характеризоваться как переход от чисто научного исследования к созданию прикладных методов обработки с помощью самосборки. Важной характеристикой процесса самосборки, которая способна изменить как химическую науку, так и перспективу исследований в области химической технологии, является то, что фундаментальные объекты, участвующие в процессе самосборки, чаще всего, не являются простыми атомами и молекулами. Скорее всего, это модульные, сборные молекулы или объекты с некоторой внутренней структурой, которая является информационным содержанием сборки [8].

Современные высокотехнологичные

процессы производства основаны на традиционной стратегии движения «сверху-вниз», куда нанотехнология уже незаметно проникла. Критическая длина интегрированных цепей находится на наноуровне (50 нм и менее), если иметь в виду длину затвора транзистора или устройства

динамической памяти с произвольным доступом (БЯЛМ).

Новые полупроводниковые приборы основаны на спиновой электронике. Зависимость сопротивления материала (вследствие спина электронов) от внешнего поля называется магнитосопротивлением. Этот эффект может быть значительно усилен для наноразмерных объектов, например, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитным слоем в несколько нанометров. Эффект вМЯ (Гигантского Магнитосопротивления) привел к значительному увеличению плотности хранения данных на жестких дисках и сделал возможным гигабайтовый диапазон. Эффекты вМЯ и ТМЯ (туннельного магнитосопротивления) могут быть использованы для создания энергонезависимой оперативной памяти компьютера, так называемого магнитного оперативного запоминающего устройства или МЯЛМ [9].

Новые оптико-электронные приборы обладают огромной пропускной способностью и мощностью. Фотонные кристаллы с периодическим изменением показателя преломления предлагают выбор ширины диапазона для передачи определенной длины волны. Этим они напоминают полупроводники для света или фотонов вместо электронов.

Квантовые точки наноразмерных объектов являются еще одним многообещающим применением оптической электроники для конструирования лазеров. Преимущество точечных квантовых лазеров перед традиционными полупроводниковыми лазерами состоит в том, что испускаемая ими длина волны зависит от диаметра точки. Лазеры на квантовых точках дешевле и предлагают более высокое качество луча, чем обычные лазерные диоды.

Производство дисплеев с низким энергопотреблением может быть осуществлено с использованием углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки могут быть электропроводящими и из-за их небольшого диаметра в несколько нанометров они могут быть использованы в качестве полевых эмиттеров с чрезвычайно высокой эффективностью для дисплеев с автоэлектронной эмиссией (БЕБ-дисплеев). По принципу действия они напоминают электроннолучевые трубки, но в гораздо меньшем масштабе длины.

Нанотехнологии уже сейчас влияют на производство товаров широкого потребления, позволяя разрабатывать продукты с новыми функциями и качеством, с легко очищаемыми поверхностями, устойчивые к царапинам, например, современный немнущийся текстиль, "умная" одежда со встроенной электроникой, новые продукты питания и косметика.

Нанотехнологии являются главным вектором быстрого технологического развития в XXI веке. Учитывая историю нанотехнологии, весьма перспективные инновации химического вещества,

можно утверждать, что нанотехнология сейчас является частью нашего технологического здравого смысла.

Литература

1. Feynman, Richard P. (1959). "Plenty of Room at the Bottom". Presentation to American Physical Society. http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html.

2. Taniguchi, N. On the Basic Concept of 'Nano-Technology'/ N.Taniguchi// Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering. - 1974. - 424 p.

3. Drexler, K.Eric. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology/ K.Eric Drexler // Anchor Books, New York.

- 1986. - 380 p.

4. Drexler, K.Eric. Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation/ K.Eric Drexler // A Wiley-Interscience Publication. John Wiley@Sons, Inc. - 1992. -620 p.

5. Drexler, K.Eric Productive Nanosystems. A Technology Roadmap. Foresight Nanotech Institute, 2007, P. 198.

6. Renn, O. Nanotechnology and the need for risk governance / Otwin Renn, Michail Roco // J. Nanoparticle Research. - 2006.

- V. 8(2) - P. 1 - 41.

7. Муртазина, Э.М. Нанокомпозиты в контексте зарубежных публикаций / Э.М.Муртазина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 728-731.

8. Муртазина, Э.М., Нерешенные проблемы

нанотехнологии: химическая обработка с помощью

самосборки (краткий обзор зарубежных публикаций) /

Э.М. Муртазина// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 15. - С. 12-16.

9. Akerman, J. Toward a Universal Memory /Johan Akerman// Science. - 2005.- Vol. 308. No. 5721 - P. 508 - 510.

© Э. М. Муртазина - канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, murel@inbox.ru; О. И. Лефтерова - асс. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, lefoliy@yandex.ru.