Нанометр — единица измерения длины¶

Нанометр (обозначение: нм, от греч. νᾶνος — карлик и метр) — единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной доле метра, то есть 10⁻⁹ метра. Нанометр относится к производным единицам СИ и применяется для измерения крайне малых расстояний — атомов, молекул, тонких плёнок, размеров структур в полупроводниковой промышленности и биологии. Один нанометр соответствует 10 åнгстремам (1 å = 0,1 нм) и 10⁻³ микрометра.

¶Происхождение и определение

Приставка «нано-» утверждена в системе СИ в 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам. Само слово образовано от древнегреческого νᾶνος — «карлик», что отражает масштаб величины. Первоначально нанометр использовался преимущественно в физике и кристаллографии, однако с развитием полупроводниковой индустрии и нанотехнологий его применение стало значительно шире.

Точное определение нанометра связано с определением метра: с 1983 года метр определяется как расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды в вакууме. Следовательно, 1 нм = 10⁻⁹ × (1/299 792 458) секунды пути света в вакууме.

¶Масштаб нанометра

Чтобы представить величину нанометра:

• Диаметр атома водорода составляет около 0,1 нм.
• Диаметр атома кремния — примерно 0,22 нм.
• Шаг кристаллической решётки кремния — 0,543 нм.
• Толщина двойной спирали ДНК — около 2 нм.
• Размер белковой молекулы — от нескольких до десятков нанометров.
• Видимый свет имеет длину волны в диапазоне примерно 380–750 нм.
• Толщина человеческого волоса — около 70 000–100 000 нм (70–100 мкм).

Таким образом, нанометр находится на границе между атомным и молекулярным миром и макроскопическими объектами.

¶Применение

¶Полупроводниковая промышленность

Основная область применения нанометра — микроэлектроника. Технологические нормы (технороды) производства микросхем традиционно измеряются в нанометрах и обозначают характерный размер структурных элементов транзистора. В 2020-е годы ведущие производители перешли к нормам 5 нм, 3 нм и 2 нм, хотя сами эти названия условны и не соответствуют буквальному размеру какого-либо одного элемента транзистора. Исторически отрасль прошла путь от микрометровых норм (1000 нм и более) в 1970-е годы до современных суб-5-нанометровых процессов.

¶Оптика

В оптике нанометры используются для измерения длины волны электромагнитного излучения. Ультрафиолетовое излучение имеет длину волны 10–400 нм, видимый свет — 380–750 нм, инфракрасное — от 750 нм до 1 мм. Цвета, воспринимаемые человеком, определяются длиной волны света в нанометрах: синий свет соответствует примерно 450 нм, зелёный — 520 нм, красный — около 650 нм.

¶Нанотехнологии

Термин «нанотехнологии» напрямую связан с нанометровым масштабом. Работа с объектами размером 1–100 нм позволяет использовать квантовые эффекты, проявляющиеся на таких расстояниях. К нанотехнологиям относят создание нанопроводов, нанотрубок, квантовых точек, графена и других материалов с особыми свойствами.

¶Биология и медицина

В биохимии и молекулярной биологии нанометры используются для характеристики размеров молекул, вирусов (диаметр вируса гриппа — около 100 нм, коронавируса SARS-CoV-2 — 60–140 нм) и клеточных структур. Наночастицы применяются в системах доставки лекарств и в диагностике.

¶Измерение на нанометровом масштабе

Для измерения расстояний в нанометрах применяются специализированные приборы, поскольку обычные оптические микроскопы не способны разрешать объекты меньше половины длины волны видимого света (предел разрешения — около 200 нм). К основным инструментам относятся:

• Туннельный сканирующий микроскоп (ТСМ) — изобретён в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе; позволяет наблюдать поверхности с разрешением до долей нанометра.
• Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — изобретён в 1986 году Биннигом, Квейтом и Гербером; работает на принципе взаимодействия кончика зонда с поверхностью.
• Электронные микроскопы — просвечивающие и сканирующие, используют вместо света поток электронов с длиной волны в сотни раз меньшей, чем у видимого света.

¶Смежные единицы

Пикометры используются для измерения размеров атомных ядер и межатомных расстояний с высокой точностью, фемтометры — в ядерной физике (радиус протона ≈ 0,87 фм).

¶Интересные факты

• Если бы один нанометр соответствовал одному сантиметру, то атом водорода имел бы размер грецкого ореха, а человеческий волос — около километра в диаметре.
• Название приставки «нано» иногда шутливо связывают с названием карликовой планеты Нептуна Найды (Naïda), хотя этимология восходит к древнегреческому языку.
• В 2016 году Международная система единиц была дополнена определениями всех единиц через фундаментальные константы, что обеспечило неизменность нанометра в любых условиях.

¶Источники

• БСЭ, статья «Нанометр»
• Международная система единиц (СИ), справочник BIPM «Международная система единиц»
• ГОСТ 8.417-2002 «Единицы измерения величин»
• Нанотехнологии: учебное пособие / под ред. В. В. Кириллина. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015
• Статьи о технородах производства микросхем, IEEE Spectrum