Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Таквот, ещев20-егодыXX века Гамоввпервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера

(Ervin Schrodinger). Уникальное свойство, характерноедляквантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути

Нобелевский лауреат преграду, для прохождения которой Альберт Эйнштейн требуется больше энергии, чем есть у

него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов привылете частицыизядра, составляющихвнастоящеевремяоснову атомнойнаукиитехники. В1956 годуГ. А. Гамовполучил премиюКалингазапопуляризациюнауки.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике (Frits Zernike) открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то время не осознали его перспективности.

В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска (Ernst August Ruska), получивший Нобелевскую премию в 1986 го-

— Возникновение и развитие нанонауки —

ду, и Макс Кноль (Max Knoll) создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О'Кифи (John Aloysius O'Keefe) предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О'Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки (Leo Esaki) (Нобелевская премия 1973 года совместно с Айваром Джайевером — Ivar Giaever —

иБрайаном Дэвидом Джозефсоном — Brian David Josephson). В это же время Юрий Сергеевич Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар», впервые предложил расчеты параметров

иварианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много

места» (There is plenty of space on the bottom) одного из крупнейших

физиков XX века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана (Richard Phillips Feynman), прочитанной 29 декабря

1959 года. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов...», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, влучшем случае, узлови деталеймашин.

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

—Возникновение и развитие нанонауки —

В1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур (Gordon Earle Moore), почетный президент и один из основателей американской кор-

порации Intel (сокр. от Integrated Electronics Technologies

Incorporated), выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18—24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг (Russell Young), работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезодвигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов (поиска нужных объектов на изучаемой поверхности).

Вэто же время Дэвид Джонс (David Jones) теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник, а физхимик-ор- ганик Эйдзи Озава (Eiji Osawa) предположил существование

полой высокосимметричной молекулы Сб0 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо (Alfred Cho) и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур (John Arthur) обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач по обработке поверхностей и

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем (А, 1 нм = 10 А), применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

В1973 году советские ученые Дмитрий Анатольевич Бочвар и Елена Григорьевна Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера (Kim Eric Drexler), работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

— Возникновение и развитие нанонауки —

Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автома- тов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман (John Von Neumann) — ученый, разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.

Нейман родился в Венгрии, в еврейской семье, его предки были выходцами из России.

Роберт А. Фрейтас (Robert A. Freitas) отмечал: «Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу». Самовоспроизводящиеся машины (автоматические репликаторы) — ключевое свойство нанороботов, ток как эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие, более совершенные создания.

Фон Нейман был активным антикоммунистом. Однажды во время слушаний в Сенате США он заявил о своей идеологии как о «резко антикоммунистической и более воинственной, чем просто нормальной». Он призывал к предупредительной атомной атаке на Советский Союз, считая, что это не даст СССР возможность создатьатомнуюбомбу.

В дальнейшем прогноз развития нанотехнологии рассматривался через представления, сформировавшиеся в более поздних работах К. Э. Дрекслера и его последователей: Р. Фрейтаса, Ральфа Меркле(Ralph С. Merkle) идр.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигу-чи (Norio Taniguchi) из Токий-

25

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10~9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт (Wilhelm Barthlott) и Кристоф Найнуйс (Christoph Neinhuis) обнару-

жили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений {Lotus-effect®), а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики Герд Карл Бинниг (Gerd Karl Binnig) и Э. Руска, а также швейцарец Гейнрих Рорер (Heinrich Rohrer) из Цюрихской лаборатории компа-

нии IBM (сокр. от англ. International Business Machines

Corporation) испытали растровый туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 года). Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.

Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.

26

— Возникновение и развитие нанонауки —

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода), по горизонтали — около 0,2 нм. По сути это уже не микроскопы, ананоскопы.

В 1980-1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от

молекул, в первую очередь — для металловпереходныхструктур.

При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер (Herbert Gleiter), изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 годы, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение. В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, химика Гарольда Крото (Harold Walter Kroto) из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла (Robert Floyd Curl) и Джеймса Хита (James Heath) и

Шона О'Брайена (Sean O'Brien) и под руководством Ричарда Смолли (Richard Errett Smalley) в университете Раиса (США) Получил новый класс соединений — фуллерены и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициа-

27

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

тором поиска был Г. Крото, который изучал лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

Врезультате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаруже-

на молекула фуллерена Сб0. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

Втом же 1985 году немецкий физик Клаус Олаф фон Клитцинг (Klaus Olaf von Klietzing) получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника (то есть квазидвухмерного электронного газа) начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Герберта Холла (Edwin Herbert Hall). В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

В1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомносиловой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.

Кконцу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих микроскопов.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творе-

ния: наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности. Оказалось, однако, что этот термин ранее

28

— Возникновение и развитие нанонауки —

уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехнологиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

Внастоящее время понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне атома и молекулы) явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

ВРоссии первая отечественная нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева, заработала в 1987—1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта». Она была создана под руководством Петра Николаевича Лускиновича.

Вэто же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет (Warren Robinet) и химик Стэн Уильяме (Stan Williams) из университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор — робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.

Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Дональд Эйглер (Donald Eigler) и Эрхард Швейцер (Erhard Schweizer) из Калифор-

нийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла

29