<<
>>

Зарождение траектории развития нанотехнологий

Научные исследования и технологические разработки, которые сейчас относят к области нанонауки и нанотехнологий, известны по крайней мере с середины XX века. Некоторые исследователи относят к нанотехнологиям и гораздо более ранние технологические практики, которым несколько сотен и даже тысяч лет [3.1 - 3.15].

Академик Ю.Д. Третьяков заметил: «По сути дела химики занимались нанотехнологиями на протяжении двух с половиной столетий. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант химика-синтетика с мастерством инженера, и именно этот союз позволил создавать самые замысловатые структуры». Термин «нанотехнологии» ввел в научный оборот Норио Тонигучи (Norio Taniguchi) в 1974 г. [3.16]. Использовалось написание термина в два слова через черточку - Nano-Technology. В мировой литературе четко отличают нанонауку (nanoscience) от нанотехнологий (nanotechnology). Для нанонауки используется также термин - nanoscale science              (наноразмерная наука)

[www.rusnano.com].

Приставка «нано» (от греческого «нано» - карлик) обозначает миллиардную часть = 10-9, т.е. один нанометр равен одной миллиардной части метра. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет диаметром примерно 10 тысяч нанометров (10 микрометров = 0,01 мм). Шкалу размеров иллюстрирует рис. 3.1.

Интерес к наноразмерной области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. [3.1 - 3.16]. Результатом исследований наноразмерных систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже широко известных явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляций, а также многое другое.

Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании наноразмерных систем (структуры с квантовыми ямами, самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями). Наиболее выдающиеся достижения в этой области отмечены тремя Нобелевскими премиями по физике (1985 г. - за открытие квантового эффекта Холла; 1998 г. - за открытие дробного квантового эффекта Холла; 2000 г. - за труды, заложившие основы современных информационных технологий).

В России термин «нанотехнологии» входит в практику федеральных нормативных документов с марта 2002 г. (перечень отечественных нормативных документов приведен в [3.17 - 3.37]). В России и в СМИ, и в практике российского законодательства, и в нормативных документах, и в научных статьях и докладах термин «нанотехнологии» часто объединяет «нанонауку», «нанотехнологии», а иногда даже «наноиндустрию» (направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии). Поэтому не всегда понятно из контекста документов, на что конкретно выделяются средства и что регламентируют документы - науку, технологии или коммерческую деятельность [www.rusnano.com].

Принципиальная особенность современного этапа развития технологий (называемого некоторыми экспертами, «нанотехнологической революцией») состоит в том, что происходит смена парадигмы развития технологической науки. Раньше развитие технологий шло «сверху вниз» - в сторону миниатюризации создаваемых предметов. Нанотехнологии, наоборот, оперируют с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами (как здание собирается из кирпичей). М.В. Ковальчук определяет нанотехнологии как «атомно-молекулярное конструирование». При переходе к нанотехнологиям по методу «снизу вверх» на принципах «самосборки» возможно существенное удешевление продуктов (рис. 3.2) и соответствующее ускорение развития экономики. Ожидается, что нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

На Западе отцом нанотехнологий считают американского физика Ричарда Фейнмана, высказавшего в 1959 г. мысль, что «принципы физики... не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атомов». Конечно, подобные идеи существовали и ранее, но среди ученых такого уровня (в 1965 г. Р.Фейнману присуждена Нобелевская премия) он был первым, кто указал на это. Лекция, в которой прозвучала приведенная цитата, посвящалась миру тонких материй и называлась «Там внизу много места» (There’s plenty of room at the bottom). В ней говорилось о таких во многом и сегодня фантастичных применениях нанотехнологий, как изготовление веществ физиком по заказу химика с помощью перемещения отдельных атомов на «нужные» позиции. (Изложенные Р. Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения «атомных манипуляторов» совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 г. [http://ru.wikipedia.org/wiki].) Однако уровень развития науки и техники 50-х гг. не позволял обсуждать всерьез возможное целенаправленное влияние на отдельные атомы.

Важно отметить, что российский физик-теоретик Георгий Антонович Гамов, работая в Гёттингенском университете, впервые получил в 1928 г. решение уравнений Шредингера, описывающее возможность преодоления частицей энергетического барьера в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Открытое явление, называемое туннелированием (туннельным эффектом), позволило объяснить многие процессы в атомной и ядерной физике, составляющих основу ряда современных технологий, в том числе нанотехнологий. Развитие электроники привело к использованию процессов туннелирования почти 30 лет спустя, в середине 1950-х годов, когда появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, ставшим нобелевским лауреатом.

Перелом наступил после изобретения в 1981 г. сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволяющего строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

Его создали в Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Русской - создателем электронного микроскопа) [3.38]. В 1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими. При помощи туннельного микроскопа стало возможным “подцепить” атом и поместить его в нужное место, т.е. манипулировать атомами и непосредственно собирать из них новое вещество (рис. 3.3).

Определяющую роль в развитии и становлении нанотехнологии сыграло также открытие в 1985 - 1991 гг. новой формы существования углерода в природе - фуллеренов и углеродных нанотрубок (рис. 3.2, 3.3). В 1985 г. трое американских химиков профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены - молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером порядка 1 нм. В 1991 г. японский профессор Сумио Лид- жима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.

Популярность нанотехнологиям придал американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетсского технологического института и написавший в 1986 г. книгу «Машины созидания» («Engines of Creation»), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул. Он довольно точно предсказал немало последовавших достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются. В 1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов [3.38].

В 1998 г.

Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы. А в 2002 г. он соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

К сожалению, на Западе недостаточно известны многие фундаментальные исследования, без которых было бы немыслимо развитие современных нанотехнологий, и которые проводились на протяжении десятилетий в России (СССР) научными школами академиков В.А. Каргина, П.А. Ребиндера, Б.В. Дерягина и Нобелевского лауреата Ж.И. Алферова [3.39 - 3.44]. Важно отметить пионерские работы В.Б. Алесковского по развитию методов «химической сборки», т.е. послойного (layer-by-layer) синтеза, заложившие начало успешно функционирующей и сейчас Санкт-Петербургской научной школы (С.И. Кольцов, А. А. Малыгин, И.В. Мурин,

В.М. Смирнов, В.П. Толстой) [3.39]. Несомненным для своего времени достижением является создание и практическое внедрение в атомную энергетику оригинальных технологий получения ультрадисперсных (нано-) порошков, выполненное группой советских ученых под руководством И.Д. Морохова [3.41]. Примерно к тому же времени относятся фундаментальные исследования научной школы академика И.В. Тананаева, впервые предложившего дополнить классические диаграммы «состав-структура-свойство» координатой дисперсности [3.42], а также оригинальные исследования академиков И.И. Моисеева и М.Н. Варгафтика по созданию так называемых «гигантских кластеров» палладия, ядро которых насчитывает около 600 атомов металла.

Выше мы отмечали фундаментальное открытие Г. Гамовым «туннельного эффекта» в 1928 г. В конце 50-х годов прошлого века вскоре после открытия туннельных диодов Юрий Сергеевич Тихо- деев, руководитель сектора физико-теоретических исследований в московском НИИ «Пульсар», предложил первые варианты приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов.

В середине 70-х годов они были успешно реализованы. А в 1967 г. работавший тогда в Физическом институте Академии наук (ФИАН) Виктор Георгиевич Веселаго предсказал существование метаматериалов, обнаружить которые удалось только 33 года спустя. В 1986 г. советскими учеными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным был предложен одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады (рис. 3.6). Существенное преимущество таких устройств в том, что они имеют очень малые размеры и потребляют мало энергии. В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича в 1987 - 1988 гг. заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. Однако это направление было недальновидно ликвидировано еще в 1995 г. [3.45].

Как отмечает Ю.Д. Третьяков [3.39], в 90-е годы в России продолжались фундаментальные исследования, вносившие несомненный вклад в развитие нанотехнологий. Достаточно назвать научные группы, которые возглавляли Р.А. Андриевский, В.В. Болдырев,

А.Л. Бучаченко, Р.З. Валиев, С.П. Губин, Б.В. Дерягин, А.Л. Ивановский, Ю.А. Котов, И.В. Мелихов, И.И. Минкин, А.Д. Помогай- ло, А.И. Русанов, И.П. Суздалев, А.Ю. Цивадзе и многие другие. В 1996 г. М.А. Ананяном был создан институт нанотехнологий, а в 2001 г. - концерн «Наноиндустрия».

В 2000 г. за разработку полупроводниковых гетероструктур (рис. 3.7) и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов академик РАН Ж.И. Алферов удостоен Нобелевской премии.

После 2000 г. отечественные исследования в области нанотехнологий заметно оживились. Перечисленные и целый ряд других новаторских идей и теоретических трудов советских и российских ученых в огромной степени способствовали прогрессу мировой нанотехнологической науки и получению ощутимых практических результатов.

В июле 2007 года для реализации государственной политики и развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии была учреждена Российская корпорация нанотехнологий («Роснано»). Корпорация выбирает приоритетные направления инвестирования и выступает соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Госкорпорация «Роснано» не будет финансировать фундаментальные научные исследования, ее задача - коммерциализация продукта, создание заводов и инновационных компаний. Вся российская нанотехнологическая сеть основана на двух точках опоры - это «Роснано» и Курчатовский научный центр. (http://www.rian.ru/science/20090522/171941520.html).

С середины 90-х годов траектория развития нанотехнологий входит в фазу роста - начинается применение нанотехнологических методов в промышленности. Это стало возможным благодаря разработкам методов и средств линейных измерений и манипуляций в нанометровом диапазоне, которые собственно и обеспечили техническую возможность создания нано- и клеточных технологий. Это, прежде всего, изобретение растровых электронных и атомносиловых микроскопов, а также разработка основанных на их использовании метрологических систем.

По-видимому, с этого момента следует вести отсчет технологической траектории шестого технологического уклада. К исходным предпосылкам ее формирования необходимо также отнести создание дифрактометров и спектрометров с соответствующей разрешающей              способностью,              позволяющей измерять              физико

химические параметры и свойства нанообъектов. Использование этой (и многих других) приборной базы позволило открыть новые свойства материи и создавать материалы с заранее заданными свойствами, возникающими вследствие манипуляций с атомами вещества на наноуровне. К числу других базисных изобретений, с внедрения которых начинается траектория жизненного цикла шестого технологического уклада, следует также отнести такие достижения молекулярной биологии, как открытие механизмов передачи генетической информации, обеспечивающей воспроизводство организмов на клеточном уровне, расшифровка геномов растений, животных и человека, изобретение технологии клонирования живых организмов, открытие стволовых клеток.

В комплексе перечисленные базовые нововведения сформировали кластер взаимодополняющих, технологически сопряженных производств, который позволил создать целостный воспроизводственный контур роста нового технологического уклада, ключевым фактором которого становятся нанотехнологии. 

<< | >>
Источник: С.Ю.Глазьев. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике. 2009

Еще по теме Зарождение траектории развития нанотехнологий:

  1. Зарождение траектории развития нанотехнологий
  2. Основные положения теории вероятностей