Нанотехнология как область науки и техники¶

Нанотехнология — совокупность методов и приёмов, применяемых для создания и изучения объектов, структура которых контролируемо упорядочена на уровне отдельных атомов и молекул и имеет хотя бы один линейный размер в диапазоне от 1 до 100 нанометров. К этому классу относят как сами наноматериалы и наноустройства, так и способы их получения, измерения и практического использования. Нанотехнология находится на стыке физики, химии, биологии, материаловедения и инженерии и рассматривается как одно из направлений, определяющих развитие современной промышленности.

¶Определение и масштаб

Один нанометр равен одной миллиардной доле метра, то есть 10⁻⁹ м. Для сравнения: диаметр атома водорода составляет около 0,1 нм, молекулы ДНК — порядка 2 нм, типичного вируса — от 20 до 300 нм, а человеческий волос имеет толщину примерно 80 000 нм. Именно в интервале 1–100 нм у веществ часто проявляются свойства, не наблюдаемые у того же материала в массивном состоянии: изменяются температура плавления, электропроводность, магнитные характеристики, химическая активность и оптические свойства. Причина — резкое возрастание доли атомов, находящихся на поверхности, и проявление квантовых эффектов.

Ключевым инструментом нанотехнологии считается сканирующий туннельный микроскоп, созданный в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, а также атомно-силовой микроскоп, появившийся в 1986 году. Эти приборы впервые позволили не только наблюдать, но и целенаправленно перемещать отдельные атомы.

¶История развития

Предпосылки направления сформировались в середине XX века. В 1959 году американский физик Ричард Фейнман прочитал лекцию «Там внизу много места», где указал на принципиальную возможность манипулирования веществом на атомном уровне. Термин «нанотехнология» ввёл в 1974 году японский исследователь Норио Танигути, описывая процессы обработки материалов с точностью до нанометра.

В 1980-е годы Эрик Дрекслер развил идеи молекулярной сборки и предложил концепцию нанороботов, что вызвало широкую дискуссию в научном сообществе. В 1985 году были открыты фуллерены, в 1991 году — углеродные нанотрубки, а в 2004 году — графен, за исследование которого Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. В 2000-х годах нанотехнология стала предметом государственных программ: в России в 2007 году была создана государственная корпорация «Роснано», а при МГУ имени М. В. Ломоносова открыт факультет наук о материалах, ведущий работы в этой области.

¶Основные направления

• Наноматериалы. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, квантовые точки, нанопорошки металлов и оксидов, нанокомпозиты.
• Наноэлектроника. Транзисторы с проектными нормами менее 10 нм, элементы памяти, сенсоры, устройства спинтроники.
• Наномедицина. Адресная доставка лекарств, контрастные агенты для визуализации, наноструктурированные имплантаты, антибактериальные покрытия.
• Наноэнергетика. Материалы для солнечных элементов, топливных элементов, литий-ионных аккумуляторов, катализаторы.
• Метрология и приборы. Зондовая микроскопия, нанолитография, методы спектрального анализа.

¶Методы получения и исследования

Способы создания нанообъектов делят на две группы. Нисходящий подход (top-down) предполагает уменьшение размеров заготовки механической, литографической или ионной обработкой. Восходящий подход (bottom-up) основан на самосборке молекул и атомов: химическом синтезе, эпитаксии, золь-гель-процессах, молекулярно-лучевой эпитаксии. Для контроля структуры применяют электронную и атомно-силовую микроскопию, рентгеновскую дифрактометрию, спектроскопию комбинационного рассеяния.

¶Применение и значение

Нанотехнологии используются в производстве полупроводников, покрытий с заданными свойствами, лёгких композитных материалов для авиации и транспорта, фильтров для очистки воды и воздуха, катализаторов нефтехимии. В медицине на их основе создаются системы диагностики и терапии онкологических заболеваний. В сельском хозяйстве разрабатываются наноудобрения и средства защиты растений.

В России исследования ведутся в институтах Российской академии наук, в национальных исследовательских университетах, в центрах коллективного пользования. Развитие направления отражено в федеральных целевых программах и стратегиях научно-технологического развития.

¶Риски и критика

Наряду с практическими результатами обсуждаются потенциальные угрозы: неясность долгосрочного воздействия наночастиц на организм человека и экосистемы, сложность контроля нанопроизводств, возможность создания новых видов вооружений. Часть концепций, например молекулярные ассемблеры и нанороботы в кровеносной системе, остаётся предметом теоретических работ и не подтверждена экспериментально. Критики указывают, что часть заявлений о скором наступлении «нанотехнологической революции» носила рекламный характер.

Источники: лекции Р. Фейнмана; работы Н. Танигути, Э. Дрекслера; публикации по открытию фуллеренов, нанотрубок и графена; материалы Нобелевского комитета; обзоры по наноматериалам и наноэлектронике; документы программ развития наноиндустрии в России.