НАНОТЕХНОЛО́ГИЯ

НАНОТЕХНОЛО́ГИЯ, со­во­куп­ность ме­то­дов и приё­мов, при­ме­няе­мых при изу­че­нии, про­ек­ти­ро­ва­нии, про­из­вод­ст­ве и ис­поль­зо­ва­нии струк­тур, уст­ройств и си­стем, вклю­чаю­щих це­ле­на­прав­лен­ный конт­роль и мо­ди­фи­ка­цию фор­мы, раз­ме­ра, ин­те­гра­ции и взаи­мо­дейст­вия со­став­ляю­щих их на­но­мас­штаб­ных эле­мен­тов (1–100 нм) для по­лу­че­ния объ­ек­тов с но­вы­ми хи­мич., фи­зич., био­ло­гич. свой­ст­ва­ми.

Н. воз­ник­ла бла­го­да­ря раз­ра­бот­кам и ис­сле­до­ва­ни­ям в разл. об­лас­тях фи­зики, био­ло­гии, хи­мии и ма­те­риа­ло­ве­де­ния. По­ми­мо изу­че­ния и соз­да­ния на­но­ма­те­риа­лов с прин­ци­пи­аль­но но­вы­ми или су­ще­ст­вен­но улуч­шен­ны­ми свой­ст­ва­ми, вы­де­ля­ют ещё неск. на­уч­но-тех­но­ло­гич. об­лас­тей, свя­зан­ных с соз­да­ни­ем и прак­тич. ис­поль­зо­ва­ни­ем на­но­ус­т­ройств (при­бо­ров, ме­ха­низ­мов или кон­ст­рук­тив­но за­кон­чен­ных час­тей ис­кус­ст­вен­но соз­дан­ных объ­ек­тов на­но­мет­ро­во­го мас­шта­ба, имею­щих оп­ре­де­лён­ное функ­цио­наль­ное на­зна­че­ние). Это пре­ж­де все­го на­но­элек­тро­ни­ка и на­но­фо­то­ни­ка. Важ­ны­ми об­лас­тя­ми совр. Н. яв­ля­ют­ся: нано­био­тех­но­ло­гия – це­ле­на­прав­лен­ное ис­поль­зо­ва­ние био­ло­гич. мак­ро­мо­ле­кул (бел­ков, по­ли­са­ха­ри­дов, ДНК, РНК) и ор­га­нелл для кон­ст­руи­ро­ва­ния на­но­ма­те­риа­лов и на­но­ус­т­ройств; на­но­ме­ди­ци­на – ис­сле­до­ва­ния и раз­ра­бот­ки в об­лас­ти ди­аг­но­сти­ки, кон­тро­ля, ад­рес­ной дос­тав­ки ле­карств в за­дан­ную об­ласть ор­га­низ­ма, вос­ста­нов­ле­ния и ре­кон­ст­рук­ции био­логич. сис­тем че­ло­ве­че­ско­го ор­га­низ­ма с ис­поль­зо­ва­ни­ем на­но­ст­рук­тур и на­но­ус­т­ройств.

К нач. 21 в. име­ет­ся дос­та­точ­но ши­ро­кий ин­ст­ру­мен­та­рий по ис­сле­до­ва­нию на­но­ст­рук­тур и раз­ра­бо­та­но мно­же­ст­во разл. ме­то­дик ди­аг­но­сти­ки и ана­ли­за ма­те­риа­ла в диа­па­зо­не <100 нм. Это разл. ме­то­ды мик­ро­ско­пии (оп­тич., элек­трон­ная, зон­до­вая), спек­тро­ско­пии, масс-спек­тро­мет­рии, хро­ма­то­гра­фии и др. Су­ще­ст­ву­ет мно­же­ст­во тех­но­ло­гий соз­да­ния на­но­ст­рук­тур, напр. ме­то­да­ми оса­ж­де­ния сло­ёв на­но­мет­ро­вых тол­щин (ла­зер­ные, элек­трон­но-лу­че­вые, ион­но-плаз­мен­ные, хи­мич., тер­мич., элек­тро­ду­го­вые). Су­ще­ст­вен­но усо­вер­шен­ст­во­ва­ны ви­ды оп­тич., рент­ге­нов­ской и др. ли­то­гра­фий. По­лу­чи­ли так­же раз­ви­тие ме­то­ды фор­ми­ро­ва­ния на­но­ма­те­риа­лов, напр. золь-гель про­цес­сы, ме­ха­но­хи­мия, крио­хи­мия, разл. тем­плат­ные (от англ. template – шаб­лон) тех­ни­ки, ке­ра­мич. ме­то­ды (спе­ка­ние, прес­со­ва­ние и др.).

При­ня­то раз­ли­чать Н. двух ти­пов в за­ви­си­мо­сти от то­го, по ка­ко­му прин­ци­пу про­ис­хо­дит соз­да­ние ко­неч­но­го про­дук­та – «свер­ху-вниз» («top-down approach») или «сни­зу-вверх» («bottom-up approach»). В пер­вом слу­чае фор­ми­ро­ва­ние на­но­мет­ро­вых струк­тур дос­ти­га­ет­ся с по­мо­щью из­мель­че­ния бо­лее круп­ных по­рош­ков, час­тиц или зё­рен твёр­до­го те­ла. Во вто­ром слу­чае про­ис­хо­дит це­ле­на­прав­лен­ное ук­руп­не­ние (са­мо­сбор­ка или са­мо­ор­га­ни­за­ция) ис­ход­ных эле­мен­тов струк­ту­ры – ато­мов, мо­ле­кул ли­бо их кла­сте­ров (до час­тиц или струк­тур на­но­мет­ро­во­го раз­ме­ра). Напр., тех­но­ло­гии соз­да­ния ге­те­ро­ст­рук­тур с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми и на их ос­но­ве ком­по­нен­тов элек­тро­ни­ки, по­лу­че­ние но­вых ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­риа­лов.

Историческая справка

Идео­ло­гич. па­ра­диг­ма то­го, что впо­след­ст­вии ста­ло из­вест­но под тер­ми­ном «Н.», бы­ла вы­ска­за­на Р. Фейн­ма­ном в 1959; он пред­ска­зал воз­мож­ность кон­тро­ля ма­те­рии на очень ма­лых мас­шта­бах. В 1968 амер. учё­ные А. Чо и Дж. Ар­тур обос­но­ва­ли воз­мож­ность ис­поль­зо­ва­ния Н. в ре­ше­нии за­дач об­ра­бот­ки по­верх­но­стей и до­сти­же­ния атом­ной точ­но­сти при со­зда­нии элек­трон­ных при­бо­ров.

Соб­ст­вен­но тер­мин «Н.» впер­вые при­ме­нён япон. фи­зи­ком Н. Та­ни­гу­чи в 1974. Пер­во­на­чаль­но этот тер­мин упот­реб­лял­ся в уз­ком смыс­ле и оз­на­чал ком­плекс про­цес­сов, обес­пе­чи­ваю­щих вы­со­ко­точ­ную об­ра­бот­ку по­верх­но­сти с ис­поль­зо­ва­ни­ем вы­со­ко­энер­ге­тич. элек­трон­ных, фо­тон­ных и ион­ных пуч­ков, на­не­се­ния плё­нок и сверх­тон­ко­го трав­ле­ния. Осн. им­пуль­сом к раз­ви­тию Н. по­слу­жил ряд клю­че­вых раз­ра­бо­ток в об­лас­ти при­бо­ро­строе­ния, со­вер­шён­ных в 1980-х гг. Это, пре­ж­де все­го, соз­да­ние Г. Бин­ни­гом и Г. Ро­ре­ром в 1982 ска­ни­рую­ще­го тун­нель­но­го мик­ро­ско­па (Но­бе­лев­ская пр., 1986). В 1985 Р. Смол­ли, Р. Кёрл и Х. Кро­то от­кры­ли фул­ле­ре­ны, а так­же впер­вые из­ме­ри­ли объ­ект раз­ме­ром 1 нм (Но­бе­лев­ская пр., 1996). В 1986 Бин­ниг, К. Гер­бер и К. Ку­эйт изо­бре­ли атом­но-си­ло­вой мик­ро­скоп (см. Атом­но-си­ло­вая мик­ро­ско­пия), что по­зво­ли­ло ис­сле­до­вать не толь­ко про­во­дя­щие, но и не­про­во­дя­щие по­верх­но­сти, из­ме­рять рель­еф об­раз­цов, по­гру­жён­ных в жид­кость, т. е. сде­ла­ло воз­мож­ным ра­бо­ту с ор­га­нич. мо­ле­ку­ла­ми, вклю­чая ДНК. Оба ти­па мик­ро­ско­пов ста­ли важ­ны­ми сред­ст­ва­ми на­блю­де­ния, изу­че­ния и атом­но­го ма­ни­пу­ли­ро­ва­ния в на­но­объ­ек­тах. В 1987–88 в НИИ «Дель­та» под рук. П. Н. Лус­ки­но­ви­ча за­ра­бо­та­ла пер­вая рос. на­но­тех­но­ло­гич. ус­та­нов­ка, осу­ще­ст­в­ляв­шая на­прав­лен­ный уход час­тиц с ост­рия зон­да мик­роско­па под влия­ни­ем на­гре­ва. В 1989 амер. учё­ные Д. Эйг­лер и Э. Швей­цер вы­ло­жи­ли 35 ато­ма­ми ксе­но­на на ох­ла­ж­дён­ном до 4 К кри­стал­ле ни­ке­ля над­пись «IBM» (при­мер на­но­ли­то­гра­фии с мо­но­атом­ным раз­ре­ше­ни­ем), впер­вые ис­поль­зо­вав для этих це­лей ска­ни­рую­щий тун­нель­ный мик­ро­скоп, про­де­мон­ст­ри­ро­вав тем са­мым воз­мож­ность на­ли­чия по­сто­рон­не­го ато­ма в мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ре не­ко­то­ро­го ве­ще­ст­ва, что от­кры­ва­ло по­тен­ци­аль­ную воз­мож­ность соз­да­ния мо­ле­ку­ляр­ных ав­то­ма­тов.

В 1991 япон. проф. С. Иид­жи­ма ис­поль­зо­вал фул­ле­ре­ны для соз­да­ния уг­ле­род­ных на­нот­ру­бок диа­мет­ром 0,8 нм, на ос­но­ве ко­то­рых мо­гут про­из­во­дить­ся ма­те­риа­лы в сот­ни раз проч­нее ста­ли. В 1998 ни­дерл. проф. С. Дек­кер соз­дал пер­вый тран­зи­стор на ос­но­ве на­нот­ру­бок, для че­го ему при­шлось впер­вые в ис­то­рии из­ме­рить элек­трич. про­во­ди­мость та­ко­го объ­ек­та. В это же вре­мя поя­ви­лась тех­но­ло­гия соз­да­ния уг­ле­род­ных на­нот­ру­бок дли­ной 300 нм. В 1999 амер. учё­ные М. Рид и Дж. Тур раз­ра­бо­та­ли еди­ные прин­ци­пы ма­ни­пу­ля­ции как од­ной мо­ле­ку­лой, так и их це­поч­кой. В 2000 нем. фи­зик Р. Ма­гер­ле пред­ло­жил тех­но­ло­гию на­но­то­мо­гра­фии – соз­да­ния трёх­мер­ной кар­ти­ны внутр. строе­ния ве­ще­ст­ва с раз­ре­ше­ни­ем 100 нм. В 2002 С. Дек­кер со­еди­нил уг­ле­род­ную труб­ку с ДНК, по­лу­чив еди­ный на­но­ме­ха­низм. В 2005 ком­па­ния «Intel» соз­да­ла про­то­тип про­цес­со­ра с то­по­ло­гич. раз­ме­ра­ми 65 нм, а в 2010 эта же ком­па­ния на­ча­ла вы­пуск про­цес­со­ров «Nehalem» (32 нм).

Боль­шой вклад в ста­нов­ле­ние и раз­ви­тие Н. вне­сли отеч. учё­ные. Это фун­дам. ис­сле­до­ва­ния Ж. И. Ал­фё­ро­ва по тео­рии и соз­да­нию по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур; пио­нер­ские ра­бо­ты В. Б. Але­сков­ско­го по раз­ви­тию ме­то­дов «хи­ми­че­ской сбор­ки» – по­слой­но­го (layer-by-layer) син­те­за; соз­да­ние и вне­дре­ние груп­пой учё­ных под рук. И. Д. Мо­ро­хо­ва ори­ги­наль­ных тех­но­ло­гий по­лу­че­ния ульт­ра­дис­перс­ных на­но­по­рош­ков (кон. 1970-х гг.) и др. Ко 2-й пол. 1970-х гг. от­но­сят­ся и фун­дам. ис­сле­до­ва­ния на­уч. шко­лы И. В. Та­на­нае­ва, впер­вые пред­ло­жив­ше­го до­пол­нить клас­сич. диа­грам­мы «со­став – струк­ту­ра – свой­ст­ва» ко­ор­ди­на­той дис­перс­но­сти, а так­же ори­ги­наль­ные ра­бо­ты И. И. Мои­сее­ва и М. Н. Вар­гаф­ти­ка по соз­да­нию ги­гант­ских кла­сте­ров пал­ла­дия, яд­ро ко­то­рых на­счи­ты­ва­ет 561 атом ме­тал­ла.

Раз­ви­тию Н. в ми­ре уде­ля­ет­ся ог­ром­ное вни­ма­ние – сфор­ми­ро­ва­ны разл. ме­ж­ду­нар. агент­ст­ва и гос. струк­ту­ры, в от­вет­ст­вен­ность ко­то­рых вхо­дит фор­ми­ро­ва­ние по­ли­ти­ки в об­лас­ти Н. Так, в США в 2000 на­ча­лась раз­ра­бот­ка про­грам­мы «На­цио­наль­ная на­но­тех­но­ло­ги­че­ская ини­циа­ти­ва» («National Nanote­ch­nology Initiative»), за­да­чей ко­то­рой яв­ля­ет­ся соз­да­ние и про­дви­же­ние пла­на по раз­ви­тию фун­дам. и при­клад­ных ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти Н., со­дей­ст­вие про­цес­су вне­дре­ния и ком­мер­циа­ли­за­ции ре­зуль­та­тов ис­сле­до­ва­ний и раз­ра­бо­ток, раз­ви­тие об­ра­зо­ват. про­грамм и ин­фра­струк­ту­ры в об­лас­ти Н. и т. п. (в 2007 пред­став­лен стра­те­гич. план про­грам­мы). В Ев­роп. сою­зе раз­ра­бо­та­на ана­ло­гич­ная про­грам­ма [«Towards a Strategic Nano­tech­nology Action Plan (SNAP) 2010–2015»]. Для реа­ли­за­ции гос. по­ли­ти­ки в сфе­ре Н. в мар­те 2011 пу­тём ре­ор­га­ни­за­ции со­здан­ной в 2007 гос. кор­по­ра­ции «Рос­сий­ская кор­по­ра­ция на­но­тех­но­ло­гий» об­ра­зо­ва­но ОАО «РОСНАНО», за­да­чей ко­то­рого яв­ля­ет­ся ком­мер­циа­ли­за­ция разра­бо­ток в об­лас­ти на­но­тех­но­ло­гии.

Перспективы развития

Н. име­ют ог­ром­ное прак­тич. зна­че­ние для важ­ней­ших от­рас­лей эко­но­ми­ки и др. сфер че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­сти. Экс­пер­ты вы­де­ля­ют три об­лас­ти, на ко­то­рые Н. ока­жут наи­боль­шее воз­дей­ст­вие в сред­не­сроч­ной пер­спек­ти­ве, – энер­ге­ти­ку, ин­фор­мац. тех­но­ло­гии и ме­ди­ци­ну. В энер­ге­ти­ке – это ка­че­ст­вен­ное улуч­ше­ние ком­по­нент­ной ба­зы уст­ройств (то­п­лив­ные эле­мен­ты и элек­тро­хи­мич. ис­точ­ники то­ка, уст­рой­ст­ва пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной энер­гии, твер­до­тель­ные ис­точ­ни­ки све­та и др.) и тех­но­ло­гий из­го­тов­ле­ния, что су­ще­ст­вен­но по­вы­сит их эф­фек­тив­ность и сде­ла­ет бо­лее де­шё­вы­ми. В об­лас­ти ин­фор­мац. тех­но­ло­гий вне­дре­ние и раз­ви­тие Н. (в т. ч. усо­вер­шен­ст­во­ва­ние совр. ПП эле­мент­ной ба­зы, соз­да­ние но­вых ма­те­риа­лов и тех­но­ло­гий фор­ми­ро­ва­ния элек­трон­ных струк­тур) ска­жет­ся, пре­ж­де все­го, в на­прав­ле­ни­ях ми­ни­ми­за­ции элек­трон­ных уст­ройств, в умень­ше­нии энер­го­по­треб­ле­ния, уве­ли­че­нии плот­но­сти хра­не­ния ин­фор­ма­ции, рос­те про­пу­ск­ной спо­соб­но­сти и ско­ро­сти пе­ре­да­чи сиг­на­лов в во­ло­кон­но-оп­тич. се­тях, по­вы­ше­нии эф­фек­тив­но­сти элек­трон­но-оп­тич., оп­то­элек­трон­ных и не­ли­ней­но-оп­тич. пре­об­ра­зо­ва­те­лей.