Рисунок 4. Лауреат нобелевской премии Жорес Иванович Алферов.

В полной мере эра нанотехнологий наступит не раньше середины текущего века, хотя отдельные разработки достаточно широкого использования будут появляться и уже имеются на рынке!

90% современного рынка нанопродукции составляют нанопорошки (начали применяться еще в 50-х годах прошлого века и назывались ультрадисперсными), нанокатализаторы, нанопористые материалы (фильтры), композиты, наполненные наночастицами, изделия из текстиля с уникальными потребительскими свойствами.

Человечество движется от алхимии через классические химию и физику, через высокие технологии к нанотехнологиям и ее спутникам био-, инфо- и когнитивным технологиям.

Алхимия совершала поиск философского камня (вечная молодость) и чудесного превращения незолота в золото.

По дороге за лжеистинами были совершены замечательные технологические открытия элементов (ртуть, свинец, серебро), веществ, разработаны технологии в области металлургии, красок, лекарств и т.д.

Нанотехнология сегодня, как и алхимия в прошлом, тоже ищет свой «философский камень» (то, что изменит мир), открывает новые свойства золота, серебра и других металлов и неметаллов, используя фундаментальную зависимость «свойство – функция размера, формы и порядка расположения частиц, образующих объект». Это философская (универсум) истина: «Структура определяет свойства» - проявляется как частный случай в принципах нанотехнологий.

Будучи большим энтузиастом нанотехнологии, как таковой, и нанотехнологии в производстве волокон и текстиля, автор не считает правильным фетишизировать роль нанотехнологий по следующим причинам:

- нанотехнология – междисциплинарная область знаний и практик и не может эффективно развиваться без фундаментальных естественных наук (физика, математика, химия и философия); но что очень важно только в содружестве, в кооперации, во взаимном обогащении с биотехнологией, информационными технологиями, когнитивными науками, методологией. Все вместе – это составляет синергический блок наук и технологий, каталитически ускоряющие, усиливающие друг друга. Многие ученые определяют этот набор наук и практик, как формирующие новый постиндустриальный 6-ой технологический уклад развития человеческой цивилизации.

Наноматериалы, нанообъекты, наночастицы существовали можно сказать всегда, но человек об этом не догадывался. Наночастицы присутствуют в дыме открытого огня, в вулканическом дыме, в выбросах из заводских труб; окружающие нас микроорганизмы – вирусы имеют размер наночастиц, ДНК и РНК, определяющие воспроизводство живой материи, имеют наноразмеры.

Но у современной нанотехнологии давний исторический след и путь. Археологи представляют материальные доказательства этому. Например, в Древнем Египте пользовались «Китайскими чернилами», имеющими коллоидную (одна из основ нанотехнологий) природу.

Специалисты установили, что знаменитая Дамасская сталь имеет структуру, включающую углеродные нанотрубки; витражи средневековых соборов изготавливали с использованием наночастиц «красного золота». Поскольку «нано» с древнегреческого языка переводится как «карлик» или «старичок», поэтому греческого философа Демокрита можно условно признать отцом, родоначальником идеи нанотехнологии, как технологии с использованием очень маленьких частиц. Этот философ (~ 400 г.д.н.э.) ввел понятие «атом», как самой маленькой неделимой (оказалось, что делимой) частицы вещества.

Далее попытаемся составить хронику-список наиболее значимых событий, открытий, имеющих прямое или опосредованное отношение к нанотехнологиям, начиная с начала 19 века и до сегодняшних дней (перечень составлен на основании многочисленных публикаций, основная часть которых будет приведена ниже).

Современные нанотехнологии. Хроника событий в нанотехнологиях

1905 г. Альберт Эйнштейн (рис.5) рассчитал размер молекулы сахара (углевод), как близкий к 1 нм. Из чего следует, что молекулы многих низкомолекулярных молекул укладываются в наноразмеры, т.е. являются наночастицами. Недаром многие специалисты вначале говорили не о нанотехнологии, а о молекулярной технологии.

1928 г. Советский физик Г.А.Гамов (эмигрировал в США в 30-е годы) разработал теорию туннельного переноса заряда, принципы которой сегодня широко используются в микро- и наноэлектронике.

Рисунок 5. 1 - Альберт Эйнштейн, 2 - Георгий Антонович Гамов.

1931 г. Немецкие физики М. Кнолл и Э. Руска сконструировали первый электронный микроскоп, в котором можно было наблюдать и изучать частицы наноразмеров. Это очень важное событие, которое позволило не только теоретизировать относительно атомов и молекул, но и «пощупать» их искусственным глазом – микроскопом, а в дальнейшем и манипулировать этими наночастицами с помощью еще более совершенных микроскопов, т.е. заняться, собственно, нанотехнологией.

1932 г. Нильс Бор (рис.6) в Копенгагене прочитал лекцию (присутствовали будущие нобелевские лауреаты Лев Ландау и Вернер Гейзенберг), в которой утверждал, что жизнь сводится к элементарным актам квантовой физики. Сегодня это очевидно и используется в нанотехнологиях, поскольку от размера частиц зависят квантовые эффекты при взаимодействии света с веществом.

1942 г. Американский физик – нобелевский лауреат Юджин Вигнер (рис.6) выдвинул гипотезу о возможности создания ультрадисперсного металла с высокой электропроводностью.

Рисунок 6. 1 - Нильс Бор, 2 - Юджин Вигнер.

1943 г. Нейропсихолог У. Маккаллок и математик У. Питс (США) сформулировали принципы построения искусственных нейронов и нейроновых сетей. В настоящее время эти принципы используются в современных информационных технологиях и искусственном интеллекте (далее ИИ), в свою очередь основанных на нанотехнологиях.

1951 г. Джон фон Нейман (рис.7) сформулировал принципы самокопирующихся структур, что является одной из характеристик нанотехнологий.

1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик – нобелевские лауреаты (рис.7) установили структуру ДНК, как передающей информацию о плане «сборки» «живых» объектов (бионанотехнология).

1959 г. Американский физик – нобелевский лауреат Ричард Фейнман (рис.7) опубликовал работу о принципах миниатюризации и записал провидческую фразу: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами». Только сейчас в век информационных нанотехнологий можно оценить прогностическую силу этой мысли.

Рисунок 7. 1 - Джон фон Нейман, 2 - Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, 3 - Ричард Фейнман.

Ричард Фейнман (1959 г.) высказал идеи о теоретической возможности миниатюризации электромеханических приборов, записи, сжатия и хранения информации, электрических схем. В то время это казалось фантастикой, сейчас это практика наноэлектроники.

Фейнман не использовал термин «нанотехнологии», позднее в 1974 г. это сделал японец Норио Танигучи. Сразу этот термин не был принят специалистами различных областей знаний, может быть, потому что Танигучи использовал его в узком смысле только для размера шероховатости поверхностей (точность их обработки < микрометра).

1961 г. Американский физик Р. Ландауэр (рис.8) высказал гипотезу о существовании обратимых операций, при которых не затрачивается энергия, что может быть использовано для создания квантового универсального компьютера.

1966 г. Р. Янгом предложен принцип миниатюрного пьезодвигателя, который в настоящее время обеспечивает перемещение острия зонда туннельного электронного сканирующего микроскопа (СТМ); с помощью этого прибора, основанного на принципах нанотехнологий, можно наблюдать объекты размером 0,01 – 0,1 Ангстрем (Ä=0,1 нм). Таким образом, нанотехнология сама предложила методы, позволяющие наблюдать и изучать нанообъекты. В данном случае нанотопографию, наношероховатость поверхности.

Рисунок 8. 1- Норио Танигучи, 2 – Рольф Ландауэр.

1968 г. А. Чо и Д. Артур – сотрудники американской компании Bell, разработали принцип формирования поверхности с наношероховатостью.

1974 г. Японский физик Норио Танигучи (рис.8) ввел в научный оборот слово «нанотехнология» и предложил частицы меньше одного микрона (1 мкм = 10^{-6 м; 1 нм = 10-9 м) называть наночастицами.}

1980 г. Советский математик Ю.Н. Манин, американец П. Бенев, англичанин Д. Дойг разработали теорию универсального квантового компьютера.

1981 г. Г. Глейтер обосновал возможность создания кристаллических структур с нанокристалликами, обладающими уникальными физическими свойствами.

1981 г. Эрик Дрекслер в Массачусетском технологическом институте защитил диссертацию по молекулярной (считай нано-) технологии. Его считают одним из пионеров нанотехнологии.

1983 г. Советский физик Е.Н.Яковлев с сотрудниками разработали технологию прессования ультратонких порошков для получения нанокристаллического никеля.

1984 г. Немецкие физики (нобелевские лауреаты) Г.Биннинг и Г.Рорер сконструировали сканирующий микроскоп, показывающий отдельные атомы и молекулы.

Рисунок 9. 1- Эрик Дрекслер, 2 - Г. Рорер, 3 - Г. Биннинг.

1984 г. Вручение нобелевской премии Герду Биннигу и Генриху Рореру (IBM) за изобретение растрового туннельного микроскопа (1981-1984 гг.). Это дало возможность наблюдать изображения отдельных атомов, а не их упорядоченных образований. И привело к созданию целой серии микроскопов, их модификации и промышленному производству. Современные микроскопы подобного типа позволяют не только наблюдать за атомами и молекулами, но ими манипулировать и совершать сборку наноструктуры с заранее заданными свойствами («снизу-вверх» – один из двух принципов нанотехнологий, второй «сверху вниз»). Это был новый этап в развитии НТ, получивший контроль и управление за размерами частиц, их геометрии и порядком расположения частиц. Начался этап молекулярной и атомной технологии. Очень большой вклад в нанотехнологии внесло развитие микроэлектроники, которая естественно стремилась совершенствоваться через миниатюризацию, т.е. через малые размеры частиц и слоев и обнаружила «пороговую» зависимость «размер – свойства»: при Ø < 100 нм начинаются иные квантовомеханические и, следовательно, электрические свойства систем.

1985 г. Американцы Р. Керл, Х. Крато, Р. Смолли предложили методику точного измерения частиц диаметром 1 нм.

1986 г. Р. Фейнман предложил идеи моделирования явлений квантовой физики на квантовом компьютере.

1986 г. Появление сканирующего атомно-силового микроскопа для изучения наноповерхностей. В настоящее время различные виды сканирующих электронных микроскопов являются мощной и неотъемлемой техникой не только изучения, но и «сборки» нанообъектов.

1986 г. Пионер нанотехнологий Эрик Дрекслер выпустил книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологий», что послужило началом обширной просветительской кампании в пользу нанотехнологий среди широкой публики.

1987 – 1988 гг. Российский ученый (НИИ «Дельта») П.Н. Лускинович создал первую нанотехнологическую установку по термосорбции наночастиц с острия обогреваемого нанозонда.

1989 г. С. Бенкер синтезировал ДНК, содержащую две синтетические, отсутствующие в природе аминокислоты. Другими словами, осуществил молекулярную «сборку» модифицированной ДНК.

1991 г. Американский химик, лауреат Нобелевской премии Р. Смолли (рис.10) с помощью лазера испарил под вакуумом графит и получил объемный нанокластер, состоящий из 60-ти атомов углерода, похожий по форме на футбольный мяч. Эти углеродные наноструктуры получили название «Фуллеренов». Он же предсказал бурный рассвет нанотехнологий.

1995 г. Профессор Л.И. Трахтенберг (Физико-химический НИИ им. Л.Я. Карпова) с сотрудниками разработали нанопленочный датчик для анализа атмосферы.

1998 г. Исследования многих ученых показали четкую зависимость электрических свойств углеродных нанотрубок от их геометрии.

1998 г. Голландский физик С. Деккер создал впервые транзистор на основе нанотехнологий.

Рисунок 10. Ричард Смоли.

1998 – 2000 гг. Исследования по нанотехнологиям в передовых, развитых странах перешли в разряд государственных, национальных программ (Япония, США, Франция, Германия и др.).

1999 г. Группа ученых Корнельского Университета (США) создала («собрала») интегрированную бионаноэлектромеханическую систему – бионаномотор на основе энзимы АТФазы.

2000 г. Г. Магерле выдвинул идею создания нанотомографий (трехмерная картина внутренней структуры вещества с разрешением ~ 100 нм).

2000 г. Присуждение российскому ученому Ж.И. Алферову Нобелевской премии за комплекс работ в области полупроводниковых микро- и наноструктур.

2000 г. Ученые фирмы «Хьюлет-Паккард» (США) создали с помощью нанотехнологий путем молекулярной «сборки» молекулу – переключатель или нанодиод (широко используется сегодня).

2000 г. Издательство «Academic Press» выпустила 5-ти томный справочник по наноматериалам и нанотехнологиям, чем подтвердила научно-практическую значимость проблемы.

2001 г. Получен предсказанный учеными еще в первой трети XX века конденсат Бозе – Эйнштейна. Это пятое состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазма). Вещество охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю, при этом атомы теряют свою самостоятельность и вещество ведет себя как один гигантский (и полимерный) атом; свойства вещества существенно меняются.

На основе доклада межотраслевой группы по нанотехнологиям (JWGN) национального Совета по науке и технике при президенте США Б. Клинтон в 2001г. подписал известную программу ННИ (национальная нанотехнологическая инициатива).

Широкий интерес к нанотехнологиям возник в 1996-1998 гг., когда правительственная комиссия США при содействии центра оценки Мировых Технологий (WTEC), финансируемого Национальным Фондом науки США и другими федеральными агентствами, провела анализ всех исследований по НАНО- и оценила их инновационный потенциал и сделала предложение президенту!

При развитии прорывных технологий на границе различных областей знаний типа нанотехнологий возникает необходимость выходить за пределы узкой профессии.

2001 г. Корпорация «Intel» (США) произвела первый кремниевый транзистор с наноэлементами размером 200 нм.

- Очень велик вклад в НТ супермолекулярной химии и биохимии (живая материя функционирует сама по себе по НТ).

- Без фантастических возможностей современной вычислительной техники, что позволяет моделировать виртуальные наноструктуры, их свойства, без предварительного их реального формирования, успехи нанотехнологии были бы меньше.

- Появление нанотехнологий, как области техники, как междисциплинарного направления, невозможно было бы без современного уровня физики, математики, химии, вычислительной техники, биохимии, генной инженерии и других фундаментальных областей знаний, результатом которых она является.

- Первоначально появление нанотехнологий – это ответ на требования электроники минимизировать и одновременно повышать эффективность электронных устройств (быстродействие и память). Но затем результаты пошли в другие многочисленные области науки и техники: медицину, защиту окружающей среды, силовые структуры, текстиль, биотехнологии, транспорт всех видов и т.д.

2002 г. С. Деккер объединил углеродную нанотрубку с ДНК и получил единый наномеханизм.

2003 г. В Университете Беркли создали транзистор на одиночной молекуле углерода-60 с полой сферой.

2004 г. Висконсинский Университет штата Мэдисон (США) представил первый в мире квантовый компьютер; затем последовало создание различных модификаций квантовых компьютеров.

2004 г. В США в рамках национальной программы по нанотехнологии (1998 г.) открыт проект по «Наномедицине».

2005 г. Компания IBM выпустила чип устройства квантового хранения данных «Millipede» («многоножка»).

7 сентября 2006 г. Правительство РФ одобрило концепцию целевой программы развития нанотехнологий на 2007 – 2016 гг. (~ 140 млрд. рублей бюджет).

2007 г. Создана Госкорпорация РосНаноТех.

2008-2010 гг. Мировой бум в инвестициях, исследованиях и коммерциализации нанотехнологий.

2010 г. Российским ученым, проживающим в Англии, Андрею Гейму и Константину Новосёлову присудили Нобелевскую премию за изучение физических свойств графена – однослойной структуры углерода.

Анализ зарождения, развития, истории нанотехнологий позволяет сделать следующие выводы:

- Основной вклад в развитие научной базы внесли выдающиеся физики, химики, математики, информанционщики (многие из них стали нобелевскими лауреатами).

- Основной вклад, как и по многим другим высоким технологиям, принадлежит ученым, проживающим в США.

- Россия внесла значительный вклад в нанонауку, но с большим опозданием включилась в развитие нанотехнологий.

В заключение истории возникновения нанотехнологий приведем распространенный, но единственный взгляд на содержание промышленных (правильнее сказать научно-технических) революций* произошедших в период с середины 18-го и до начала 21-го веков.

1-ая промышленная революция 1750 -1850 гг. (Англия). Ее Сформулировал Ф.Энгельс: «Техника и механизация изменили мир, социальную и политическую системы. Изменился даже ландшафт развитых стран, охваченных1-ой промышленной революцией. Гуманизация труда. Снижение уровня бедности. В конечном счете, построение основ демократии и капитализма».

2-ая промышленная революция начало 20-го века. Автоматизация в промышленности.

3-ая промышленная революция середина 20-го века. Внедрение в производство процессоров.

4-ая промышленная революция конец 20-го, начало 21-го века. Нано-, био- и информационные технологии.

В табл.1 показано, как видят в зарубежной литературе историю нанотехнологий с древних времен и до нашего времени.

В заключение истории нанотехнологий приведена галерея портретов отечественных ученых (рис. 11), внесших значительный вклад в развитие теории и практики нанотехнологий.