Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX—XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному скачку в развитии методов и средств обработки информации, получения электрической энергии, синтеза новых материалов на основе передовых научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры» люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы происходящего, не могла быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и ноу-хау.
Системные исследования наноразмерных объектов берут свое начало в XIX в., когда английский физик Майкл Фарадей впервые изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Интересно отметить пример своеобразного предвидения, сделанного писателем Николаем Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением в 5 млн. раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микроскопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Ростислав Андриевский). В первой половине ХХ в. зародилась и получила развитие техника исследования нанообъектов. Предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля.
Впервые создан просвечивающий электронный, сканирующий электронный микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов. Американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал ставшую впоследствии знаменитой лекцию под названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», в которой впервые была рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом — путем поштучной «атомарной» сборки. Ученый заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее добавил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле».
Создан оптический микроскоп ближнего поля. Ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же ими был разработан атомно-силовой микроскоп. Японский ученый Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин «нанотехнология». Американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.
Были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов — квантовых точек и квантовых проволок. Американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу вверх». Мощным стимулом для активизации направления стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что существуют две единственные полиморфные модификации углерода — графит и алмаз. Однако, как оказалось, пределы полиморфных превращений данного элемента этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки. Впервые возможность существования фуллеренов была предсказана японскими учеными Эйджи Осавой и Зеншо Иошидой.
Чуть позже, российские исследователи Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность. Были получены результаты астрофизических исследований спектров некоторых звезд, указывающие на существование подобных комплексов. Фуллерены были впервые синтезированы. Это удалось сделать английскому ученому Гарольду Крото и американским Роберту Керлу и Ричарду Смолли, за что они были удостоены Нобелевской премии. В ходе изучения масс-спектров паров графита, полученных в результате лазерного воздействия, ими были выявлены крупные агрегаты С60 и С70, состоящие соответственно из 60 и 70 атомов углерода. В Германии ученые В. Кретчмер и К. Фостирополус разработали технологию, позволившую получать фуллерены в достаточно больших количествах. Как выяснилось позже, такие комплексы существуют и в природе.
Они были обнаружены в природном углеродном минерале — шунгите (от названия поселка Шуньга в Карелии). Углеродные нанотрубки открыл японский ученый Сумио Иджима. Фуллерены и углеродные нанотрубки с момента их обнаружения привлекли внимание многих исследователей необычностью своей структуры и свойств. В ходе последующих изысканий были выявлены различные производные этих образований, которые получались в результате взаимодействия фуллеренов и углеродных нанотрубок с другими веществами. Было также установлено, что структуры, подобные им, могут быть образованы атомами не только углерода, но и других элементов. В частности, обнаружены фуллереноподобные наночастицы Ti8C12. В том же году были впервые синтезированы неуглеродные нанотрубки на основе MoS2 и WS2. О наличии глубоких корней, лежащих в основе нынешних нанотехнологических исследований, свидетельствует история формирования одной из самых молодых областей химии — супрамолекулярной, открывающей широкие возможности для создания различных видов молекулярных наноструктур.
Термин «супрамолекулярная химия» введен французским химиком Жаном Мари Леном. Несколько ранее, в его трудах появилось слово «супермолекула», которое было известно и употреблялось для описания более высокого уровня организации, возникающего при образовании ряда сложных молекулярных соединений. Супермолекулы состоят из компонент, которые связываются друг с другом благодаря механизму молекулярного распознавания, предполагающему наличие между ними определенной комплементарности. На возможность его существования указывал немецкий биохимик Пауль Эрлих, подчеркивая, что молекулы реагируют друг с другом строго селективно. Таких же взглядов придерживался немецкий химик-органик Эмиль Фишер, который сформулировал принцип «ключ — замок», предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит геометрическая комплементарность компонент, образующих супрамолекулярный ассоциат. Вещества, которые в настоящее время рассматривают как соединения включения, ранее наблюдали разные ученые: Аксель Кронстедт, Джозеф Пристли, Б. Пелетье и В. Карстен, Гемфри Дэви. Термин «клатрат» в его современном толковании введен Г. Пауэллом.
Важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием американским ученым Чарльзом Педерсеном краун-эфиров — молекул плоской формы, обладающих полостью, способной включать в себя молекулы другого сорта. Жан Мари Лен осуществил синтез аналогичных молекул с трехмерной полостью, названных криптандами. Американский ученый Дональд Крам сконструировал «молекулы-контейнеры» с предварительно организованной структурой — сферанды и кавитанды. За сравнительно короткий период нанотехнологии получили широкое распространение в самых различных областях человеческой деятельности. Примером тому является история развития биотехнологии. Этот термин был предложен венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. Под биотехнологией он понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».
Хронология дальнейшего развития биотехнологии выглядит следующим образом: освоен промышленный выпуск пенициллина; обнаружен генетический материал — дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК, двойная спираль ДНК; расшифрован генетический код; выделена первая рестриктаза — фермент, способный расщеплять ДНК; синтезирован полноразмерный ген т-РНК — транспортной рибонуклеиновой кислоты; разработана технология рекомбинантных ДНК, методы определения нуклеотидной последовательности ДНК. Последующие годы ознаменовались развертыванием широкого фронта исследований в области генной инженерии, которые привели к началу работ над проектом «Геном человека». Из дифференцированной соматической клетки было впервые клонировано млекопитающее. Все это — яркий пример возможностей нанотехнологий применительно к биологическим объектам. Другим примером приложения нанотехнологий, но уже к «неживым» предметам, является история разработки идеи квантовых компьютеров.
Профессор Оксфордского университета Дэвид Дойч предложил математическую модель квантово-механического варианта машины Тьюринга. П. Шор (фирма AT&T Bell) показал, что такая машина может получить практическое воплощение. В частности, она оказалась эффективной в решении задач о разложении на множители больших чисел. В настоящее время алгоритм, предложенный Шором, широко применяется при создании различных типов квантовых компьютеров. М. Такэути (фирма «Мицубиси Дэнки») провел принципиальные эксперименты по квантовым вычислительным системам с использованием фотонов. Н. Накамура (фирма NEC) успешно изучил возможности практической работы квантового компьютера. Нынешний период в развитии нанотехнологий характеризуется активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ведущих индустриальных странах мира. США в данном направлении занимают лидирующие позиции.
Была утверждена Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была сформулирована следующим образом: «Национальная нанотехнологическая инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI в.». До принятия ННИ, специальный комитет американского Центра оценки мирового состояния технологий осуществлял мониторинг и анализ развития нанотехнологий во всех странах и выпускал для научных, технических и административных специалистов США обзорные информационные бюллетени об основных тенденциях и достижениях. Состоялось заседание Межотраслевой группы по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям (IWGN), результатом которого стала разработка прогноза исследований на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США, после чего было официально объявлено о принятии ННИ.
В преамбуле к документу тогдашний президент США Билл Клинтон заявил: «Я выделяю 500 млн. долл. в текущем финансовом году на государственную нанотехнологическую инициативу, которая позволит нам в будущем создавать новые материалы (превосходящие по характеристикам существующие в тысячи раз), записать всю информацию Библиотеки Конгресса на крошечном устройстве, диагностировать раковые заболевания при появлении нескольких пораженных клеток и добиться других поразительных результатов.
Задавайте вопросы нашему консультанту, он ждет вас внизу экрана и всегда онлайн специально для Вас. Не стесняемся, мы работаем совершенно бесплатно!!!
Также оказываем консультации по телефону: 8 (800) 600-76-83, звонок по России бесплатный!
Предлагаемая инициатива рассчитана по крайней мере на 20 лет и обещает привести к важным практическим результатам». Япония, как и США, уделяет нанотехнологиям большое внимание. Японская экономическая ассоциация «Кэйданрэн» организовала специальный отдел по нанотехнологиям при промышленно-техническом комитете, был разработан общий план развития нано- технологических исследований.
Его основные положения сводились к следующему: определить в качестве основных направлений «прорыва» в нанонауке информационные технологии, биотехнологии, энергетику, экологию и материаловедение; обеспечить приток крупных капиталовложений в отрасли производства, основанные на нанотехнологиях; энергично развивать исследования в указанных направлениях и внедрять их результаты в производство таким образом, чтобы они стали «флагманами» грядущей нанотехнологической революции; разработать национальную стратегию развития нанотехнологий, организовать эффективное сотрудничество промышленных, государственных и научных ведомств и организаций в данной сфере.
Страны Западной Европы начали проводить работы в области нанотехнологий в рамках соответствующих национальных программ. В ФРГ нанотехнологические изыскания поддерживаются в основном Министерством образования, науки, исследований и технологий. В Англии руководство этим направлением осуществляет Совет по физико-техническим исследованиям, а также Национальная физическая лаборатория.
Во Франции стратегию развития нанотехнологий определяет Национальный центр научных исследований. Все больше внимания нанотехнологиям уделяется в Китае, Южной Корее, ряде других государств. Нанотехнологические изыскания начали осуществляться и в странах СНГ, в частности в России и Украине, как правило, в ходе проведения государственных научных программ. В Беларуси подобные работы идут в рамках ГКПНИ «Наноматериалы и нанотехнологии». Она является продолжением предыдущей государственной программы ориентированных фундаментальных исследований с таким же названием. Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия внедрения нанотехнологий, так же как в середине ХХ в. трудно было предсказать, что повлекут за собой разработки в области электроники и информатики. Предполагается, что в ближайшие годы бюджетные ассигнования ведущих индустриальных стран на изыскания в области нанотехнологий существенно возрастут.
При этом намеченные исследования будут нацелены на решение ряда конкретных задач: создание сверхминиатюрных запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти; повышение быстродействия компьютеров в миллион раз; создание сверхпрочных материалов и на их основе — новых транспортных средств; выпуск генетических и медицинских препаратов для диагностики и лечения раковых заболеваний, СПИДа; разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды и др. О большом внимании, которое уделяет мировая научная общественность проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение Нобелевской премии по физике за открытие и исследование одного из необычных явлений наномира — эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС). Премии удостоены француз Альберт Ферт и немец Петер Грюнберг, независимо друг от друга открывшие эффект ГМС.
Магнетосопротивление — это изменение электрического сопротивления проводника, вызванное действием внешнего магнитного поля. ГМС, в отличие от классического магнетосопротивления, проявляется в существенно более резком возрастании электросопротивления во внешнем магнитном поле (на десятки процентов). Физический механизм ГМС базируется на зонной теории твердого тела, в частности на спин-зависимых транспортных явлениях. Эффект наблюдается в магнитных нанопленках и нанопроволоках, которые благодаря ему можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля, способных реагировать на ничтожно малое его изменение. Их применение существенно изменяет промышленное производство устройств магнитной записи на жесткие диски и другие магнитные носители информации. Приведенные факты свидетельствуют, что человечество вступило в эру активного освоения нанотехнологий. Уже достигнутые результаты впечатляют, а впереди еще более интригующие перспективы.
Статью подготовил директор по развитию предпринимательства и конкуренции ОАО "Акса" Корчагин Юлиан Андриянович. 
