Нанотехнологии и наноматериалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнологии -- область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и устройств сверх малого порядка, размеров нанометра. «Нано» (от греч. nanos -- карлик) -- десять в минус девятой степени. Нанометр -- миллиардная часть метра или миллионная часть миллиметра.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных инженерных дисциплин, так как на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей зачастую не имеют смысла, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее и демонстрируют новые свойства на уровне взаимодействия отдельных атомов и молекул. Ранее изменение свойств или качеств материалов на таких масштабах было попросту невозможным.

В разных отраслях жизнедеятельности человека с помощью нанотехнологий уже известные нам материалы могут получить новые, заранее запрограммированные человеком свойства. Примеров такого прогресса очень много:

негорючая, или непромокаемая бумага;

пластик, который светится в темноте;

проводящий ток пластик с фотоэффектом на уровне современных солнечных батарей;

прозрачный и гибкий материал с легкостью пластика и твердостью стали;

смазки, понижающие трение на 30?50%;

непромокаемая и незагрязняемая одежда;

компактная электроника, размеры и энергоемкость которой в сотни раз ниже современной;

гибкие пластиковые экраны толщиной менее 1 мм и яркостью современного монитора;

электролит для элементов питания, который держит заряд в десятки раз дольше обычного, и множество других разработок.

Также с помощью нанотехнологий удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами размеров нанометра -- белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самостоятельно выстраиваться в определенные структуры. Такие структуры содержат строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляют необычные свойства.

Все вышеперечисленные продукты производятся специализированными компаниями, а их себестоимость пока очень высока. Однако, есть все основания полагать, что прорыв в области широкого применения нанотехнологий произойдет очень скоро, что приведет к массовому производству и, как следствие, к снижению цен на эти продукты (подобно истории развития компьютерных технологий).

Современные нанотехнологии нуждаются в очень мощной вычислительной технике, которая необходима для моделирования поведения атомов и молекул, и высокоточных электрических и механических приспособлениях, которые необходимы для упорядочивания этих атомов и молекул в новом порядке. С помощью этих средств и создаются принципиально новые материалы с конкретными, нужными человеку свойствами.

Разработками по многим направлениям развития нанотехнологий пока занимаются всего несколько стран в мире. В их числе -- Россия, США, Китай, Австрия и Израиль. С недавнего времени к их числу присоединилась и Украина. Продукты нанотехнологий в ближайшее время станут реальностью для миллионов жителей нашей страны. Мы можем заметить, что в современной Украине реальностью уже стали миллионы мощных компьютеров, развитые интернет технологии, мобильная связь, что было непросто представить 10?15 лет назад. Изменяющие мировоззрение разработки наноиндустрии через 10?15 лет будут такими же смешными и наивными, как модемы, компьютеры, и телефоны начала 90-х годов.

Активное применение нанотехнологий изменит само понятие о веществе, как компьютеры и компьютерные сети в своё время изменили представление об информации. Заданием наноиндустрии является не создание принципиально новых материалов, а вывод уже имеющихся на более высокую ступень качества и технологичности за счет изменения их свойств на молекулярном уровне. Компьютеры и сетевые технологии подготовили отличную почву для нанотехнологической волны. Нанотехнологии изменят мир. Но нельзя сказать, что этот мир будет лучше или хуже прежнего -- просто он будет иным.

И хотя широкое применение продуктов наноиндустрии еще слишком дорого, продукция "UltraDiamond" является исключением. Благодаря нашему ноу-хау, Вы имеете возможность использовать преимущества нанотехнологий в Вашей повседневной жизни прямо сейчас и по доступной цене.Нанотехноломгия -- междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанотехнология, нанонаука - это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том, что поверхность таких частиц или огромных молекул чрезвычайно велика по отношению к их объёму. Такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира, такими, как стол, книга, песок. Их поведение, благодаря высокоразвитой поверхности, сильно отличается от поведения и истинных растворов и расплавов, и объектов макромира. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль, когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров: отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь.

Определения и терминология

Есть мнение, что на сегодняшний день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция. В Еврокомиссии создана специальная группа, которой дали два года на то, чтобы разработать классификацию нанопродукции. Среди подходов к определению понятия «нанотехнологии» имеются следующие:

1.В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее: знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

2.Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.)[источник не указан 742 дня] нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм -- это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология -- новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.

Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология -- следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.



История

Взгляд изнутри углеродных нанотрубок. Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «В том мире полно места» (англ. «There's Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап -- полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле -- таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор:

Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой -- от хирургических операций до транспортирования и переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определённом этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоёмкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Всё, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует ещё и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.

В ходе теоретического исследования данной возможности, появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул»[4].

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Сканирующая зондовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы как не оптические, так и оптические методики.

Исследования свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводятся на воздухе при атмосферном давлении, в вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики позволяют изучать как проводящие, так и не проводящие объекты. Кроме того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопией и спектральными методами.

С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона [6].

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10?11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4--10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов, охлаждение микроскопа позволяет избавиться от термодрейфа.

Однако, в большинстве случаев нет необходимости манипулировать отдельными атомами или наночастицами и достаточно обычных лабораторных условий для изучения интересующих объектов.

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров -- белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты -- плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты -- вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты -- материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв. Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

Самоорганизация наночастиц

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией -- как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии -- супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров -- белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы -- структуры, включающие несколько молекул белков. Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берётся комплементарная ДНК (кДНК), к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- -- условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений -- использование веществ -- дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Подробнее это рассмотрено в источнике «Organic Additives And Ceramic Processing», D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (англ.).

Новейшие достижения

Наноматериалы

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

Углеродные нанотрубки -- протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Фуллерены -- молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие -- алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен -- монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

Нанокристаллы. Аэрогель

Наноаккумуляторы -- в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса

Методы исследования

В силу того, что нанотехнология -- междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

Наномедицина и химическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК-нанотехнологии -- используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

Компьютеры и микроэлектроника

Центральные процессоры -- 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Основной конкурент Intel, компания AMD, также давно использует для производства своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно с компанией IBM. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм.

Жёсткие диски -- в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации.

Сканирующий зондовый микроскоп -- микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер-Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. СЗМ может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение сканирующих зондовых микроскопов зависит от характеристик используемых зондов. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна-осциллятор -- 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации.

Плазмоны -- коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии -- наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

коллоидный наноиндустрия микроскопия зондовый

Робототехника

Молекулярные роторы -- синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Нанороботы -- роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Вопросы разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных международных конференциях[7][8].

Молекулярные пропеллеры -- наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.

С 2006 года в рамках проекта RoboCup (чемпионат по футболу среди роботов) появилась номинация «Nanogram Competition», в которой игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2,5 мм. Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.

Концептуальные устройства

Nokia Morph -- проект сотового телефона будущего, созданный совместно научно-исследовательским подразделением Nokia и Кембриджским университетом на основе использования нанотехнологических материалов.

Индустрия нанотехнологий

В 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. На долю частных доноров -- корпораций и фондов -- пришлось примерно $6.6 млрд инвестиций, на долю государственных структур -- около $3.3 млрд. Мировыми лидерами по общему объёму капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых нанотехнологий на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объём инвестиций составил $4 млрд.), США -- на 122 % ($3.4 млрд.).

Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть связано с религиозностью[14], а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов[15]. Особо это актуально для широко разрекламированного коллоидного серебра, свойства и безопасность которого находятся под большим вопросом.

Реакция мирового сообщества на развитие нанотехнологий

C 2005 года функционирует организованная CRN международная рабочая группа, изучающая социальные последствия развития нанотехнологий[16].

В октябре 2006 года Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья, в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях безопасности.

Организация «Гринпис» требует полного запрета исследований в области нанотехнологий[17].

Тема последствий развития нанотехнологий становится объектом философских исследований. Так, о перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году международной футурологической конференции Transvision, организованной WTA[18][19].

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

В современном искусстве возникло новое направление "наноарт" (наноискусство) (англ. nanoart) - это вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10^-6 и 10^-9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе (например, Adobe Photshop).

Нанороботам и их роли в социальном прогрессе посвящена композиция «Nanobots» российской группы Re-Zone.

Нанотехнологии в фантастике

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент:

Если бы, -- говорит, -- был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, -- говорит, -- увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал

Н. Лесков «Левша»

Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».

Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931.

Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»), С. Кинг («Серая дрянь»).

Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина -- руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.

В научно-фантастическом сериале «Звёздные врата: ЗВ-1» одной из самых технически и социально развитых рас является раса «репликаторов», возникшая в результате неудавшегося опыта Древних с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День,когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает все на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих все на своем пути.

Форумы и выставки

Rusnanotech2010

Первый в России Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech прошел в 2008 году, впоследствии ставший ежегодным. Работа по организации Международного форума по нанотехнологиям проводилась в соответствии с Концепцией, одобренной наблюдательным советом ГК "Роснанотех" 31 января 2008 г. и распоряжением Правительства Россиской Федерации № 1169-р от 12.08.2008 г. Форум прошел с 3 по 5 декабря 2008 г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Форума состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки.

Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и посетителя из России и 32-х зарубежных стран, в том числе:

4048 участника конгрессной части Форума

4212 посетителя выставки

559 стендист

205 представителей СМИ освещали работу Форума

В 2009 году в мероприятиях Форума принял участие 10 191 человек из 75 регионов Российской Федерации и 38 зарубежных стран, в том числе:

4 022 участника конгрессной части Форума

9 240 посетителя выставки

951 стендист

409 представителей СМИ освещали работу Форума

В 2010 году в работе форума приняли участие почти 7200 человек. Среди посетителей экскурсий, специально организованных Фондом «Форум Роснанотех» для школьников, собрались участники Всероссийской интернет-олимпиады по нанотехнологиям, и ученики школ, оказавшиеся впервые в центре крупного нонатехнологического события. Специально для посещения Форума приехали школьники из г. Чебоксары, г.Тула, Г.Ростова-на-Дону. Экскурсоводами стали аспиранты МГУ им. Ломоносова, включенные в процесс подготовки нанотехнологической олимпиады.

Нанотехнологии: очень маленькие чудеса

Устройства, собранные из отдельных атомов и молекул, в XXI веке решат энергетические проблемы человечества, обеспечат бессмертие и революцию в освоении космоса.

В одном сантиметре -- десять миллиметров, в одном метре -- десять сантиметров. Это практически все, что требовалось знать школьникам младших классов о линейных величинах на протяжении последнего столетия. Существование молекул и атомов оставалось для них тайной до того момента как подросшие школьники, уже интересующиеся алкогольными напитками и противоположным полом больше, чем учебой, не попадали на первые уроки физики.

В ближайшем будущем все изменится. Одна из областей физики находится на пороге открытий, которые до недавнего времени жили лишь на страницах книг писателей-фантастов. Речь, конечно же, идет о нанотехнологиях -- области фундаментальной и прикладной науки и техники, которая имеет дело с методами производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой, иными словами -- продуктов, созданных путем манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Когда в 2001 году американским ученым впервые удалось создать функциональное устройство на наноуровне, один из разработчиков сказал: «Теперь первоклассники будут учить, что в одном сантиметре -- десять миллиметров, а в одном миллиметре -- 1*10-06 нанометров». Тем, кто сомневался в этом утверждении, предлагали взглянуть на первое наноустройство, которое представляло собой автомобиль шириной 4 нанометра (это лишь чуть больше, чем толщина ДНК) с четырьмя колесами из 60 атомов углерода каждое. И этот автомобиль, по сути представлявший собой одну сложную молекула, ездил, используя энергию химических связей. Правда для того, чтобы зафиксировать его движение, потребовался мощный сканирующий туннельный микроскоп.

На первый взгляд, это совершенно бесполезное изобретение, однако лучшие умы мировой науки так не считают. Общие мировые инвестиции на разработки нанотехнологий ежегодно превышают $15 млрд. Больше всего денег на эти исследования тратят США и Япония. Актуальность направления поняли и в России, где по указу президента была создана корпорация «Нанотехнологии», которую возглавил Анатолий Чубайс. «Объем продаж российской наноиндустрии достигнет уровня, который был у РАО «ЕЭС России», т.е. 1 трлн рублей в год», - пообещал Чубайс, приняв назначение на должность.

Последние разработки подтверждают, что созданные с помощью нанотехнологий устройства имеют намного более высокую энергоэффективность, кроме того, сама их постройка существенно облегчается тем, в качестве сырья для их создания могут использоваться несколько простейших видов атомов, таких как углерод, водород, кремний, азот.

Нанороботы уже научились отличать раковые клетки от здоровых и в ближайшем будущем смогут избавить пациентов от тяжелых и небезопасных процедур облучения. Они избавят от необходимости хирургического вмешательства и обеспечат правильную «диету», осуществляя доставку калорий в организм, будут спасать металлы от ржавчины и создадут сверхпроизводительные компьютеры следующего поколения.

«Нанотехнологии произведут такую же революцию в управлении материей, какую компьютеры произвели в манипулировании информацией», - утверждает Ральф Меркль, работающий в подразделении нанотехнологий компании Xerox.

МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ: ЧЕМ МЕНЬШЕ, ТЕМ УМНЕЕ

Компьютерные технологии всегда первыми реагируют на новейшие достижения науки. В общественном сознании еще не успела укорениться мысль о нанотехнологиях, как о реальности, а не о чуде, но в индустрии электроники они уже давно прижились. Современные процессоры компании Intel производятся по технологическому процессу 65 нм. Эксперты отмечают, что уже через несколько лет может быть достигнут предел 11 нм. Дальнейшее уменьшение наноэлектроники невозможно. После этого настанет эпоха «супернаночастиц» и создание квантовых компьютеров и спинтроники, где движущей силой процессоров станут мельчайшие частицы, известные современной физике -- кванты и спины.

НАНОУСТРОЙСТВА НАУЧАТСЯ САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ

Единственной проблемой, стоящей на пути развития нанотехнологий сегодня, является слишком большой масштаб сборки. Перемещение отдельных молекул производится с помощью зондов, управляемых компьютером, который, в свою очередь, управляется человеком. Процедура сборки наноустройств имеет ограниченный диапазон и не автоматизирована на наноуровне.

Прогресс. Компьютеры следующего поколения будут созданы нанороботами

Ученые считают, что сдвинуть дело с мертвой точки поможет управляемый механосинтез. В ходе этой, пока еще теоретической процедуры, молекулы можно будет собирать из атомов с помощью механического приближения -- сокращения расстояния между атомами до тех пор, пока не вступят в действие химические связи. Это возможно лишь при наличии манипулятора, который способен оперировать отдельными атомами в радиусе до 100 нм. Управлять столь тонким устройством человек уже не сможет, для этого потребуется нанокомпьютер. И скорее всего он должен быть встроен прямо в наноробота-сборщика, который будет осуществлять сборку устройств.

Американский институт молекулярного производства объявил конкурс на изготовление первого такого устройства с призовым фондом $250 тыс. По самым оптимистичным оценкам, стратегический дует из нанокомпьютера и наноманипулятора будет создан не раньше 2015 года. После этого развитие нанотехнологий ничто уже не будет сдерживать, ведь первый манипулятор сможет воспроизвести сам себя без участия человека. Дальше будет еще проще. Используя свойства ДНК к размножению, несколько бактерий смогут за несколько часов довести свое количество до нескольких миллионов, не требуя ничего, кроме незначительных объемов энергии и сырья.

БИОТЕХНОЛОГИИ: НАНОРОБОТЫ ОТКРОЮТ ДОРОГУ К МАТРИЦЕ

В медицине и биотехнологиях использование нанороботов также сулит невероятные прорывы. Многие тяжелые и даже неизлечимые заболевания, перед которыми пасует современная медицина, перестанут быть опасной угрозой. Медицинские нанороботы доберутся до пораженных органов и злокачественных клеток, не требуя хирургического вмешательства и химиотерапии.

Хирургия будущего. Медицинские нанороботы дешевы в производстве и безвредны для организма

Британский футуролог Обри де Грей убежден, что благодаря нанотехнологиям станет возможным регулярно обновлять клетки организма и таким образом фактически достичь бессмертия. Больше того, он убежден, это вовсе не дело отдаленного будущего -- первыми бессмертными, по его мнению, станут люди, родившиеся в начале XXI века.

Другие ученые в своих прогнозах заходят еще дальше и предсказывают, что нанотехнологии позволят перестроить человеческий организм. Например, дадут возможность управлять энергетическим балансом, поставляя в организм калории, без необходимости употреблять в пищу продукты, содержащие эти калории.

Благодаря нанотехнологиям станет возможным повысить биологическую совместимость различных протезов и имплантов с нервными тканями человека. Возможно, сбудется мечта писателей фантастов жанра «киберпанк», которые описывали нейроинтерфейсы, позволявшие людям будущего взаимодействовать с компьютерами непосредственно через нервную систему.

2009 год для нанотехнологий начался с сенсации. Американские ученые из университета Джона Хопкинса объявили о создании наноробота, способного уничтожать раковые клетки. Микроскопическое устройство размером с частичку пыли имеет в диаметре меньше одной десятой миллиметра, при этом оно способно проникать в организм человека и перемещаться по нему, ориентируясь на биохимические сигналы клеток. Робот умеет отличать злокачественные клетки от здоровых и удалять их и организма.

Внешне наноробот похож на краба -- у него есть «туловище» и три пары «клешней», которыми он цепляется за ткани и проводит все необходимые манипуляции. Впрочем, «клешни» раскрываются лишь когда робот добирается до цели -- по организму он путешествует в виде гладкого шарика. Сам процесс движения обеспечивается благодаря магнитному испульсу. Конструкция робота содержит частицы никеля, врачи воздействуют на них с помощью магнитов, задавая направление движения зонда.

Нанороботы дешевы в производстве, легко управляются и абсолютно безвредны для организма, констатирует Дэвид Гэрсиас, возглавляющий проект в университете Джона Хопкинса. По его словам, они могут стать отличной альтернативой традиционным хирургическим инструментам. Но самым большим их преимуществом является возможность проводить диагностику организма путем взятия клеточных проб без хирургических разрезов.

НЕ РЖАВЕЙ: НАНОЧАСТИЦЫ УБЕРЕГУТ МЕТАЛЛ ОТ ВЛАГИ

Компания Battelle, один из крупнейших партнеров Министерства энергетики США, объявила о создании «умного» покрытия, которое поможет предотвращать ржавление металлов. Покрытие само распознает места, в которых металл начал ржаветь, на самых ранних стадиях, когда процесс невозможно заметить невооруженным глазом.

Интеллектуальным это покрытие делают нанотехнологии. Сотрудники лаборатории компании разработали наноматериалы, которые взаимодействуют с коррозией -- вступая в реакцию с ржавчиной, они начинают флюоресцировать. Опыты пока проводились только с алюминием, однако разработчики уверяют, что химический состав покрытия в будущем может быть адаптирован практически к любому виду металла.

Актуальность изобретения в США ни у кого не вызвала вопросов. Только по оценка Министерства обороны США, коррозия оборудования, подконтрольного этому ведомству, ежегодно обходится в $10 млрд. Если покрытие, разработанное Battelle, получит широкое применение и позволит восстанавливать металлические конструкции еще до того, как коррозия станет видимой невооруженным глазом, экономия будет колоссальной.

А немецкие ученые из института Фраунгофера разработали технологическую линию, которая позволит печатать неорганические электронные компоненты по тому же принципу, по которому работают офисные принтеры. По словам руководителя проекта Михаэля Янка, в основе технологии лежат чернила из наночастиц.

Сегодня для производства микросхем повсеместно используется фотолитография -- на подготовленную поверхность производится осаждение материалов, которые затем подвергаются воздействию света через маску-шаблон, благодаря рисунку которой удается засветить лишь необходимые участки схемы. При этом большая часть осаждаемых материалов не используется и затем удаляется путем травления. Учитывая в каких количествах современная промышленность производит электронные компоненты для различных видов компьютерной и бытовой техники, методика, которая позволила бы наносить материал только на участки, которые непосредственно формируют рисунок схемы, могла бы привести к многомиллиардной экономии в мировом масштабе.

Янк говорит, что компоненты произведенные по новой технологии обойдутся примерно вдвое дешевле тех, которые производятся сегодня по обычной технологии с использованием кремниевых материалов.

ЗАБУДЕМ О НЕФТИ И ГАЗЕ

Возможность практически бесконечного воспроизведения любой конструкции при наличии сырья и некоторого количества энергии -- весьма небольшого, как уверяют ученые, - делает нанотехнологии универсальной технологией будущего. КПД получения электроэнергии из солнечного света, например, в случае применения нанотехнологий может достигать 90% против 20% у применяемых сегодня солнечных панелей. Это не только решает проблему энергообеспечения самих нанороботов, но и открывает широкие перспективы для решения энергетических проблем человечества.

Возможность создания конструкций на наноуровне изменит машиностроительную индустрию. Вернее, похоронит ее -- отпадет необходимость в промежуточных машинах, которые необходимы для создания других машин. Их заменят универсальные наноконструкторы, способные создать любое устройство на уровне атомов и молекул.

Нанотехнологии могут обеспечить прорыв в освоении космоса, сделав возможным автоматическое строительство и самосборку орбитальных станций и роботов для исследования других планет. Энергию нанороботы будут черпать из солнца, а сырье для работы будут брать в окружающей среде.

Нанотехнологии - настоящее и будущее

Если раньше "игры атомами" были уделом сугубо научно-исследовательских лабораторий, то сегодня ряд технологий, основанных на манипуляциях наночастицами, подошел к стадии своего широкого коммерческого использования. Увы, но инженерная романтика, связанная с нанотехнологиями понемногу рассеивается, и приставка "нано" зачастую уже не обозначает "ново". Все же стоит понимать, что революционность нанотехнологий заключается не столько в ожидаемых плодах их массового применения, сколько в самой идеологии "наноминиатюризации".

Ученые, достигшие сегодня высоких результатов в области нанотехнологий, во многом обязаны двум изобретениям конца прошлого столетия. В 1981 году физики Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM создали сканирующий туннелирующий микроскоп, который позволил им увидеть отдельные атомы. А уже в 1986 году он был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Оба ученых за свои революционные труды были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году увидела свет эпохальная статья двух исследователей из той же лаборатории IBM - Айглера и Швейцера, под названием "Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа", и многим стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось - весь мир обошла "нанофотография" удивительной мозаики, образующей символику компании IBM, "выгравированная" отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью.

С появлением сканирующего микроскопа началось широкое развитие нанотехнологий - способов обработки частиц, размеры которых находятся в пределах от одного до ста нанометров (1 нм = 10-9 м). Чтобы лучше представить данный порядок величин достаточно вообразить Земной шар и футбольный мяч - именно так соотносится в размерах последний и наночастицы. Сегодня Бинниг продолжает свою научную работу в лабораториях IBM, разрабатывая и совершенствуя технологию создания жестких дисков нового поколения без намагничивающих записывающих и считывающих головок.

Манипуляции наночастицами

Проблемой манипуляцией атомов при помощи сканирующего микроскопа занимался и ученый Дон Айглер (Don Eigler), который также проводил свои эксперименты в лабораториях IBM. Он в 1989 году впервые не только смог переместить атомы при помощи сканирующего микроскопа, но и научился делать это в заданных направлениях и на заданные расстояния. Сегодня при помощи его установки свободно можно перемещать наночастицы, управляя процессом с компьютера. Один из опытов Айглера видится очень показательным, так как может явиться своеобразным коридором связующим цифровую реальность и наномир. Так, ученый расположил атомы кобальта на поверхности меди таким образом, что они образовали замкнутый эллипс. После помещения в одну из частей эллипса еще одного атома кобальта, во второй его половине (пустой) прослеживался сигнал аналогичный наличию в ней какой-то атомоподобной частицы.

Понятно, что никакой частицы в пустом фокусе эллипса не было. Однако наличие сигнала на сканирующем микроскопе ученый объяснил с помощью эффекта шепота, который достаточно давно известен людям. Его суть заключается в том, что даже тихий разговор человека в специально спроектированном помещении может быть слышен в противоположном его краю, тогда как нормальной слышимости речь будет совершенно неразборчива с близкого к нему расстояния. Примером таких помещений могут служить множественные театры, которые, как известно, имеют эллиптическую форму. Такой эффект обусловлен конструкцией стен и потолков, которые в сумме целенаправленно отражают звуковые волны. Согласно дуализму свойств микрочастиц, атомы ведут себя аналогично волнам, именно поэтому в пустой части фокуса эллипса наблюдался эффект подобный звуковому эффекту шепота. Таким образом, изменяя форму эллипса действия данного явления на атомарном уровне можно избежать, то есть на одном элементарном звене (кольцо атомов кобальта) получить как присутствие сигнала "атома-призрака", так и его отсутствие. Следовательно, варьирование формы расположения атомов кобальта создает основу для создания интерпретатора двоичной системы исчисления. Массивы наночастиц, разложенных по поверхности меди кольцеобразно, могут создать невероятной емкости устройства хранения данных, считывателем которых станет сканирующий микроскоп.

Другой эффект, позволяющий создавать устройства хранения и запоминания, был открыт исследователями из Иллинойского университета, которые разработали методику для размещения на стандартном полупроводниковом кристалле массива органических молекул, которые в принципе можно использовать в качестве запоминающих устройств классического по своей топологии типа. Технология относительно проста. С готовой кремниевой пластины предварительно удаляется оксидная пленка (например, при помощи рентгеновского излучения). Затем, в глубоком вакууме, поверхность, состоящая из химически чистого кремния, покрывается слоем атомов водорода. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (похоже, он становится основным производственным инструментом нанотехников) можно удалять из этого слоя отдельные атомы водорода, создавая на поверхности рельефный рисунок, таким образом, чтобы углубления рельефа стали бы областями чистого кремния. Если на полученную заготовку нанести органические молекулы, то они одним концом присоединятся к кремнию, а вторым будут свободно "парить" над поверхностью, при этом вращаться с частотой до терагерца. Ученые утверждают, что этим вращением можно управлять при помощи электрических импульсов. Таким образом, может быть создан упорядоченный массив (все зависит от шаблона, по которому делаются дырки в водородном покрытии) управляемых переключающихся элементов - то есть механическая молекулярная память, с частотой функционирования порядка нескольких терагерц. Естественно, все пока находится в глубоко экспериментальной стадии, но возможности открываются колоссальные.