Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана "Там внизу много 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-ваальсовые 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 макро вещи. 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.
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.
Согласно "Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года" (2004г.) 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 не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология— следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
График увеличения инвестиций в микроэлектронику и нанотехнологии в России.
|
Год |
Инвестиции (в млн долларов) |
|
1970 |
7 |
|
1990 |
12 |
|
2000 |
22 |
|
2010 |
30 |
Между гендиректором "Роснано" Анатолием Чубайсом и президентом ОАО РЖД Владимиром Якуниным было подписано соглашение о нанотехнологических инновациях на железнодорожном транспорте.
"Соглашение формирует отраслевой механизм внедрения и продвижения инновационной, в том числе нанотехнологической, продукции. Выполнение его положений позволит удовлетворить возросшие требования к качеству транспортных услуг, увеличить объемы перевозок, вес поездов и участковые скорости", — отмечается в документе.
В соответствии с соглашением "Роснано" и РЖД определят наиболее перспективные области применения новой продукции, регионы и подразделения для внедрения комплексных проектов, а также создадут систему мониторинга эффективности нанотехнологий.
Физики из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) синтезировали наноматериал, который способен стать основой для электронных устройств будущего,— соты из атомов углерода.
Сообщение о синтезе новой наноструктуры появилось в журнале Nature и сообщении университета. Важность открытия обусловлена тем, что углеродные наноструктуры проявляют свойства полупроводников и способны в перспективе заменить используемый сейчас в микроэлектронике кремний. Впрочем, электронные схемы на основе углеродных наносот и листов графена можно называть уже нано-, а не микроэлектронными.
Необходимо отметить, что приставка "нано" здесь действительно играет ключевую роль в физическом, а не только в рекламном смысле. Если взять частицу углерода в виде графита или алмаза (две известные по школьной программе формы этого элемента), то ее свойства будут кардинально отличаться от свойств тонкой пленки углерода толщиной всего в один атом. Листы из атомов углерода, называемые графеном, становятся полупроводниками, причем по ряду параметров в ряде случаев превосходящими обычный кремний. Если бы на их основе удалось наладить массовое производство микросхем, то такие чипы тоже работали бы быстрее обычных.
В предыдущем абзаце необходимо подчеркнуть два оборота: "в ряде случаев" и "если бы". Как пишут ученые в аннотации к своей статье, хорошие электрические характеристики появляются даже не просто у листа графена, а у упорядоченных "сот" из полосок углеродной одноатомной пленки. Которые вплоть до недавнего момента получить не удавалось.
Графеновые наносоты, полученные исследователями из США. Белая полоска - 500 нм, 0,5 мкм или 1/2000 миллиметра
Использованный физиками метод заключался не в том, что под микроскопом исследователи переносили наноструктуры в нужном направлении. Такой подход, кстати, не столь уж невозможен в принципе: в лабораториях IBM сотрудники вручную сложили название фирмы из атомов золота еще в начале 1990-х годов. Но для промышленного использования подобные методы, естественно, неприменимы. Упорядоченные поверхности, называемые также наноматериалами, растут сами, подобно кристаллам льда на стекле. В задачу ученых входит подобрать параметры химической реакции, приводящей к формированию нужной структуры.
Углеродные нанотрубки, длинные цилиндры из атомов углерода (толщина стенки — один атом), тоже собираются за счет химических реакций. Причем в 2009 г. китайским исследователям удалось вырастить нанотрубки длиной 18 сантиметров. Это уже далеко не микроскопический масштаб.
Это непростое задание, так как предсказать поведение осаждаемых на поверхность молекул сложно. А решать задачу путем простого перебора всех возможных условий (состав смесей, температура и давление, используемые катализаторы) невозможно из-за большого числа вариантов. Исследователи, получившие в итоге наносоты, использовали метод, разработанный еще в 1990-х годах — блоковую сополимерную литографию.
Эти точки — отдельные атомы ксенона, перемещенные при помощи специального зонда под микроскопом. Апрель 1990 г., начало эры нанотехнологий
Блок-сополимеры — это, как следует из названия, разновидность полимеров, то есть длинных цепочек молекул из одинаковых звеньев. Точнее, почти одинаковых, так как в отличие от, к примеру, полиэтилена, блок-сополимеры образованы сращиванием двух разных цепочек из звеньев разной структуры.
Если обычный полимер выглядит как цепочка вида "А-А-...-А-А", то блок-сополимер устроен как "А-А-...-А-Б-...-Б-Б".
Так как цепочки неоднородны, то они могут, например, слипаться определенными участками и формировать упорядоченную структуру. Варьируя состав цепочек блок-сополимеров и меняя условия эксперимента, можно добиться того, что из них соберется интересующая ученых структура. Правда, пока что не те самые графеновые наносоты. Для получения наносот полимер потребуется еще и испарить.
На получении графеновых наносот исследователи не остановились. Из этого материала были изготовлены экспериментальные полупроводниковые устройства, непригодные пока что для промышленного производства, но позволившие убедиться в том, что наносоты все-таки ведут себя именно так, как и ожидали ученые.
Число деталей
Процессор ноутбука, на котором была написана эта статья, имеет 47 млн транзисторов, которые потребовалось соединить определенным образом друг с другом внутри кристалла площадью 26 квадратных миллиметров.
Указанные числа — далеко не предел. Внутри высокопроизводительного настольного компьютера суммарное число транзисторов в процессоре и видеокарте может перевалить и за миллиард. Поэтому говорить о том, что графеновые транзисторы в ближайшие годы заменят кремниевые, все-таки не приходится. Исследователям во всем мире предстоит еще разработать технологии, позволяющие получать не просто отдельные транзисторы, а сложные схемы, и не в единичных экземплярах, а в условиях поточного производства. Впрочем, если вспомнить что первый транзистор как таковой появился лишь во второй половине XX века — это не кажется столь уж нереальным.
