Введение

Сейчас мир стоит на пороге новой научно-технической революции, последствия которой представить пока крайне затруднительно, но особого оптимизма они не внушают. Наука и технология в своем развитии вплотную подошли к оперированию объектами нанометрового диапазона размеров, что получило комплексное название нанотехнологии. И это действительно очередная революция, только почти бескровная, и прежде всего она должна произойти в умах людей, а не в гадких железяках.

Нанотехнология создает принципиально новую техническую и технологическую базу цивилизации и опирается на новейшие достижения в области физики твердого тела, химии и физической химии, прикладной математики, материаловедения и других естественных наук.

Потоки электронов, заключенные в полупроводниковый кристалл, дали в свое время начало новой ветви эволюции элементной базы - поколению интегральных схем. Подвижность электронов в сочетании с малыми внутрикристаллическими размерами обеспечили скорость, а структура твердого тела - организацию информационных потоков в микропространстве. Это привело к необходимости формировать кристалл с почти идеальным расположением атомов в решетке, заданным распределением примесей, образующими внутри кристалла сложную пространственную фигуру, и созданием на поверхности элементов с возможно более малыми размерами. Эти принципы распространились уже и на аморфные твердые тела, а не только на идеальные кристаллы. В нанотехнологии ситуация более сложная и иная принципиально. Надо отказаться от многих привычных взглядов и понятий, или относится у ним по крайней мере с величайшей осторожностью. Более того, надо осознать многие непривычные и вызывающие инстинктивное отторжение понятия и физические явления.

При этом с глубоким прискорбием надо осознать, что единичные образцы даже самой уникальной техники не определяют уровень развития технологии. Многое человечеству было известно и ранее, хотя знания, которыми не обладали древние, были исключительно обширны. Более 6 тысяч лет до нашей эры на Ближнем Востоке разработали технологию изготовления искусственной бирюзы путем последовательного нанесения очень большого числа тонких пленок сложного состава с отжигом в закрытой камере при определенных для каждого этапа условиях.

Однако тысячи остроумных приемов и десятки сложных физических явлений не реализуют сами по себе предмет развитой технологии, а нанотехнологии в особенности. Не существует такого приема или явления, которые бы самодостаточно выразили бы ее сущность. Элементную базу для достижения практически любой поставленной цели можно реализовывать на основе самых разнообразных физических явлений и использовать разные материалы - полупроводниковые, сверхпроводящие, магнитные или оптические. При этом должен сохраняться единственный принцип - это обработка информационных сигналов в мезоскопически и наноскопически малых областях твердого тела, в которых средствами современной техно-

логии создано определенное распределение электронных свойств. Это относится к более или менее (скорее менее, чем более) понятной для продвинутого студента ботаника электроники, но ведь есть еще нанохимия и подрастают нанобиология и наномедицина, которые есть тоже порождения нанотехнологии.

Если бы темпы микроминиатюризации сохранились бы до 2010 г., то транзистор уменьшился бы до размеров вируса, его рабочая частота сравнялась бы с частотой колебаний атомов в решетке кристалла, число транзисторов в одной ИС достигло бы триллиона, а рекордные размеры литографического рисунка достигли бы величины в 10 раз меньше размеров атома.

Теоретически (в некоторых прогнозах) считается, что нанотехнология позволит создавать практически любые изделия - от вычислительных машин сверхвысокой производительности до искусственных органов человека, причем, чем дальше автор от практической деятельности в области нанотехнологии (а таких пока подавляющее большинство), тем смелее и масштабнее генерируемые им прогнозы. Особенно это касается вторжения в область биологии, биофизики и биотехнологии. Современная биотехнология рассматривается как первый этап становления и развития нанотехнологии, но на самом деле ей пока лишь доступен осмысленный синтез известных биологически активных веществ и их весьма ограниченные вариации.

Этот синтез ведется из сравнительно крупных молекулярных блоков, а основным инструментом нанотехнологии в биологии должен стать молекулярный сборщик, способный встраивать в молекулярную структуру отдельные атомы по заданной программе. Сборщик первого поколения будет создан из белка, его разработка будет вестись по аналогии со структурой рибосомы живой клетки. Итогом этой работы должен стать сборщик второго поколения - небелковый молекулярный робот, способный манипулировать атомами любых элементов.

Предпосылки к этому имеются исключительно в мире живой природы. Молекула хлорофилла при фотосинтезе получает сигнал в виде кванта света, после чего переходит в возбужденное состояние и практически без потерь передает этот сигнал и запускает цепь последовательных химических превращений.

К сожалению, вследствие совершенно не зависящих от читателя, но хорошо ему известных причин, положение России на рынке нанотехнологий существенно, если не катастрофически, пошатнулось. Если до прихода Горбачева к власти во многих областях развивающейся нанотехнологии мы имели бесспорное лидерство (достаточно просмотреть, к примеру, сборники "Рост кристаллов", регулярно издававшиеся до 1991 г. под патронажем Института кристаллографии АН СССР - в них за немалую честь почитали опубликоваться ведущие исследователи "свободного мира", причем делали это на русском, очень правильном и хорошем литературном языке. Правда, не всех их там печатали, (вследствие недостаточно высокого для подобных сборников научного уровня). Теперь положение катастрофически ухудшилось. Согласно результатов анализа, проведенного зарубежными специалистами (действительно, специалистами), прирост в публикациях в мире по нанотехнологии только с 1989 по 1998 год составил 27%, но на долю России приходится 4,6% общего количества публикаций (США - 23,7%, Китай и Франция - по 6,3%). Еще хуже ситуация с патентами и авторскими свидетельствами. На долю России их приходится только 1,1% (США - 42%, Германия - 15,3%, Япония - 12,6%, Франция - 9,1%) от общего числа. В 2000 г. работы по нанотехнологии правительством США были отнесены к работам, характеризующимся высшим национальным приоритетом и при президенте (США) создан специальный комитет, координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности США и вооруженных силах. Только в фирме Intel в 2001 г. на разработки в области нанотехнологии было затрачено более 1 млрд. долл. И самое главное, разумеется, это отношение властей к образованию в России и, как альтернатива, в остальном мире.

Одним из важнейших условий быстрого и успешного развития нанотехнологии является разработка учебных курсов и программ, которые позволят профессионально подготовить новое поколение исследователей, инженеров и рабочих, способных работать в этой новой, сложной и мультидисциплинарной области науки и техники.

О              проблемах нанотехнологии должны быть информированы также общественные круги и организации, непосредственно не связанные с наукой, поскольку от них в значительной степени зависят возможности финансирования новых программ. В США ключевую роль в финансировании программ образования и профессиональной подготовки в областях, связанных с нанотехнологией, играет Национальный научный фонд совместно с Министерством обороны, Национальным институтом стандартов и технологии, Национальным институтом здоровья и другими, менее значительными федеральными ведомствами. Образовательные программы и курсы по нанонауке и нанотехнологии уже включены в учебные планы университетов США. Система обучения в Корнеллском университете включает в себя подготовку в области нанонауки учителей для школьного и дошкольного образования, вводный курс нанотехнологии для новичков и лабораторный практикум для преподавателей высшей школы и сотрудничество с передвижной выставкой по нанотехнологии в Научном центре г. Итака. Нужны ли комментарии?

Переход к нанотехнологии является довольно болезненным, как и всякая революция и всякая резкая ломка привычных представлений, даже заключающаяся в простом, но резком расширении границ мировосприятия. В связи с этим осмелюсь привести две цитаты. Первая принадлежит западному философу Уильяму Джеймсу, занимавшемуся философией научного познания. ""В любой науке вокруг общепризнанных и упорядоченных фактов вечно кружит пыльное облако исключений из правил - явлений малозаметных, непостоянных, редко встречающихся, явлений, которые проще игнорировать, нежели рассматривать. Всякая наука стремится к идеальному состоянию замкнутой и строгой системы истин. Феномены, не подлежащие классификации в рамках системы, считаются парадоксальными нелепостями и заведомо не истинны. Ими пренебрегают и их отвергают, исходя из лучших побуждений научной совести. Тот, кто всерьез займется иррегулярными феноменами, окажется способен создать новую науку на фундаменте старой. По завершению же этого процесса правилами обновленной науки по большей части станут вчерашние исключения"".

Вторая цитата принадлежит нашему соотечественнику, физику, занимающемуся проблемами квантовых измерений, Михаилу Борисовичу Менскому. ""Нерешенные концептуальные вопросы квантовой механики часто объединяют под именем "проблемы измерения". Они не имеют, подобно другим проблемам в физике, вполне ясной и однозначной формулировки и порой разными авторами преподносятся по-разному. Более того, большое число вполне квалифицированных и опытных специалистов считает, что никаких концептуальных проблем в квантовой механике вообще не существует. Те, кто такие проблемы обсуждает, часто встречают не только непонимание, но и осуждение. Типичная оценка такого рода обсуждений состоит в замечании, что это не физика, а философия, и при этом слово "философия" иногда произносится несколько свысока... Парадоксы в квантовой физике возникают лишь тогда, когда исследователь не удовлетворяется этим "физическим" уровнем теории, когда он ставит такие вопросы, которые в физике ставить не принято, другими словами, - когда он берет на себя смелость попытаться выйти за пределы физики. Вполне оправданной является точка зрения, что такая попытка со стороны физика не имеет смысла. Те, кто этой точки зрения придерживается, не заслуживают осуждения. Более того, они по-своему правы, потому что для конструктивной работы в физике необходимо ограничить себя точно сформулированными, чисто "физическими" задачами. Однако для некоторых физиков оказывается необходимым иногда попытаться выйти за рамки собственно физической методологии и поставить более широкий круг вопросов. Вот тогда возникают квантовые парадоксы. Оказывается, что попытки разрешить эти парадоксы могут приводить к удивительным новым концепциям, которые по меньшей мере весьма любопытны. Нельзя сказать, что на этом пути достигнут существенный прогресс. Однако красота и смелость возникающей при этом картины квантового мира невольно заставляют надеяться, что этот путь позволит в конце концов вывести теорию на качественно новый уровень"".

Но прогнозы - прогнозами, а учебный план - учебным планом. В данном курсе предполагается, что изучающий его уже познал к этому моменту физику твердого тела, ФОМЭ, элементы физхимии, матфизику и многое другое, если верить зачетной книжке. Предполагается, что выражения типа "уравнение Шредингера" и "волновой дуализм Де Бройля" вызовут тень узнавания, а не тупое мычание. С этим чрезвычайно оптимистическим предположением приступим к изучению курса.