ремещения исполнительных органов, и мобильные, имеющие разные типы подвижного основания (колесные, шагающие, ползающие и т.п.).

На основе использования технических подходов наноптики и наномеха- ники ведется создание оптико-механических наноприборов, совершенство которых в значительной степени зависит от того, насколько точно обеспечи­вается позиционирование и перемещение их оптических компонентов, таких как зеркала, решетки, линзы и т.п. О больших перспективах исследований в этой области свидетельствует факт изготовления цифрового микрозеркально­го прибора (Digital Micromirror Device, Texas Instrument), содержащего свыше 500000 подвижных механических частей, который предназначен для формиро­вания проекционного изображения, системы точного наведения на цель, соз­дания информационных полей в пространстве и для ориентации [4].

Особую группу наносистем образуют сенсорные наносистемы, действие которых основано на селективном восприятии сигналов различной природы, в том числе биологических, химических, температурных и т.п., и их преобра­зовании в электрические. Наносенсорику можно рассматривиать как отдель­ное направление наноэлектроники. Весьма перспективным является создание бионаносенсоров, которые могут не только отслеживать состояние организма, но также, в случае острой необходимости (например, при резком ухудшении со­стояния здоровья), автоматически выполнить некоторые требуемые действия, на­пример, «обращаться» к врачу и вводить в организм по полученным рекоменда­циям требуемые лекарства.

1.4. История развития наноматериалов и нанотехнологий

Еще до наступления эры нанотехнологий люди сталкивались с наноразмер- ными объектами и протекающими на наноразмерном уровне процессами, и использовали их на практике. Так, например, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотоизображе­ний, катализ в химическом производстве, бродильные процессы, происходя­щие при изготовлении вина, сыра, хлеба, и другие происходят на наноуровне. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первона­чально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы исполь­зуемых объектов и процессов, не могла быть надежной основой в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные исследования, расширяющие горизонты познания наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и технологий.

Ниже приводится краткая история исследований и разработок в области наноматериалов и нанотехнологий [1, 5].

Научные исследования нанообъектов берут свое начало в XIX веке, ко- гда в 1856-1857-е годы М. Фарадей впервые получил и изучил свойства кол- лоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе.

Интересно отметить пример нанотехнологического предвидения, сде- ланного в 1881 году Н.С. Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением 5 000 000 раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микро- скопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Р.А. Андриевский).

В первой половине ХХ века зародилась и получила развитие техника ис- следования нанообъектов. В 1928 году была разработана схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1932 году был впервые сконст-

руирован просвечивающий электронный микроскоп, а в 1938 году - сканирующий электронный микроскоп. В 1939 году немец- кий физик Э. Руска создал первый эффектив- ный электронный микроскоп, за что получил Нобелевскую премию в 1986 году.

Во второй половине XX века была сформирована принципиальная научная и технологическая база для получения и при- менения наноматериалов и наноизделий.

В 1959 году американский физик, Нобе-

Ричард Фейнман левский лауреат Р. Фейнман прочитал, став-

шую в последствии знаменитой лекцию под названием "Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики", в которой была впервые рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом - путем поштучной "ато- марной" сборки. Р. Фейнман заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее доба- вил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по задан- ной химической формуле».

В 1972 году был создан оптический микроскоп ближнего поля. В 1981 году немец Г. Бинниг и швейцарец Г. Рорер, работавшие в то время в филиа-

ле IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 году, за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же 1986 году Г. Бинниг изготовил атомно-силовой микроскоп.

В 1974 году японский ученый К. Танигучи при обсуждении проблем об­работки материалов впервые ввел термин "нанотехнология". В 1981 году американский ученый Г. Глейтер впервые ввел термин «нанокристал- лические» материалы. Позже стали использоваться такие термины, как «на- ностркутурные», «нанофазные», «нанокомпозиционные» материалы и т.п.

В 1986 году американский физик Э. Дрекслер в своей книге "Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии", основываясь на биологических моделях, ввел представления о молекулярных роботах, а также развил пред­ложенные Р. Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу - вверх».

Одним из важнейших результатов исследований в области наномира яв­ляется развитие наноэлектроники, которая базируется на использовании квантовых эффектов, проявляющихся в наноструктурах. В 1975 году были впервые теоретически рассмотрены принципиальные возможности сущест­вования наноструктур пониженной размерности - квантовых точек. В первой половине 1970-х года начались интенсивные исследования полупроводнико­вых гетероструктур, которые привели в 1993-1994 годах к созданию гетеро- лазеров на основе наноструктур с квантовыми точками. Значительный вклад в эти исследования внесли российский ученый Ж.И. Алфёров и американ­ский ученый Г. Крёмер, за что они в 2000 году получили Нобелевскую пре­мию по физике. В 1984-1989 годах были предложены квантовые интерфе­ренционные транзисторы. В 1985-1986 годы российские ученые Д. Аверин и К. Лихарев исследовали процессы одноэлектронного туннелирования, зало­жив тем самым основы нового направления в наноэлектронике - одноэлек- троники.

В 2007 г. присуждена Нобелевская премия по физике за открытие и ис­следование одного из необычных явлений наномира - эффекта гигантского магнитосопротивления, который проявляется в резком (на десятки процен­тов) возрастании электросопротивления во внешнем магнитном поле, что связано со спин-зависимыми транспортными явлениями в наноструктурах. Премии удостоены француз А. Ферт и немец П. Грюнберг, независимо друг от друга открывшие этот эффект в 1988 году. Эффект гигантского магнито- сопротивления проявляется в магнитных нанопленках и нанопроволоках, ко­

торые благодаря этому эффекту перспективно использовать для создания устройств магнитной записи. Открытие этого эффекта послужило основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных мас­штабах стала производить первый спинтронный прибор - считывающую го­ловку с гигантским магнитосопротивлением размерами 10-100 нм.

В 1987 году Э. Яблонович, сотрудник Bell Communications Research (в последствии профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе), выдвинул концепцию фотонного кристалла, положив тем самым начало раз­витию новейшего направления современной оптики - нанофотоники.

Мощным стимулом для развития нанотехнологий 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 уг­лерода этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма не­обычные по своей структуре фуллерены и углеродные нанотрубки.

Впервые возможность существования фуллеренов была предсказана японскими учеными Е. Осава и З. Иошида в 1970 году. Чуть позже, в 1973 году российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали первые теоре­тические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее ста­бильность. В 1980-е годы были получены данные астрофизических исследо­ваний спектров некоторых звезд, указывающие на существование подобных комплексов. В 1985 году фуллерены были впервые синтезированы. Это уда­лось сделать английскому ученому Г. Крото и американским ученым Р. Керл и Р. Смолли, за что в 1996 году они удостоились Нобелевской премии по хи­мии. 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 углеродных атомов. В 1990 году в Гер­мании ученые В. Кретчмер и К.Фостирополус разработали технологию, по­зволившую получать фуллерены в достаточно больших количествах. Как вы­яснилось позже, существуют и природные фуллерены. Они были обнаруже­ны в 1992 году в природном углеродном минерале - шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии). Углеродные нанотрубки открыл в 1991 году японский ученый С. Иджима. Фуллерены и углеродные нанотрубки с момента их открытия привлекли внимание многих исследователей необычностью своей структуры и свойств. В ходе после­дующих исследований были выявлены различные производные этих струк­тур, которые получались в результате взаимодействия фуллеренов и угле­

родных нанотрубок с другими веществами. Было также установлено, что структуры, подобные фуллеренам и углеродным нанотрубкам, могут быть образованы атомами не только углерода, но и других веществ. В частности, в 1992 году были обнаружены фуллереноподобные наночастицы Ti₈C₁₂. В том же 1992 году были впервые синтезированы неуглеродные нанотрубки на ос­нове MoS₂ и WS₂.

О наличии глубоких корней, лежащих в основе нынешних нанотехноло- гических исследований, свидетельствует история формирования одной из самых молодых областей химии - супрамолекулярной химии, открывающей широкие возможности для создания различных видов молекулярных наност­руктур [6].

Термин «супрамолекулярная химия» был введен французским ученым Ж.-М. Леном в 1978 году. Несколько ранее, в 1973 году в его трудах поя­вился термин «супермолекула», который был известен еще в середине 1930- х годов и употреблялся для описания более высокого уровня организации, возникающего при образовании ряда сложных молекулярных соединений. Супермолекулы состоят из компонентов, которые связываются друг с другом по механизму молекулярного распознавания, предполагающему наличие ме­жду ними определенного сродства (комплементарности). На возможность существования такого механизма указывал П. Эрлих еще в 1906 году, под­черкивая, что молекулы реагируют друг с другом строго селективно. Таких же взглядов придерживался Э. Фишер, который в 1894 году сформулировал принцип «ключ - замок» - принцип, предполагающий, что в основе молеку­лярного распознавания лежит геометрическая комплементарность компонен­тов, образующих супрамолекулярный ассоциат. Вещества, которые в на­стоящее время рассматривают как соединения включения, ранее наблюда­ли А. Кронстедт - в 1756 году, Дж. Пристли - в 1778 году, Б. Пелетье и В. Карстен - в 1785-1786 годы, Г. Дэви - в 1823 году. Термин «клатрат» в его современном толковании был введен Г. Пауэллом в 1947 году. Важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием амери­канским ученым Ч. Педерсеном в 1962 году краун-эфиров - молекул плоской формы, обладающих полостью, способной включать в себя молекулы друго­го сорта. В 1967 году Ж.-М. Лен осуществил синтез аналогичных молекул с трехмерной полостью, названных криптандами. В начале 1980-х годов аме­риканский ученый Д. Крам сконструировал так называемые «молекулы- контейнеры» с предварительно организованной структурой - сферанды и ка- витанды.

За сравнительно короткий период времени наноматериалы получили широкое распространение в самых различных областях человеческой дея­тельности. Примером тому является история развития биотехнологии [7]. Термин «биотехнология» был предложен в 1917 году венгерским инженером К. Эреки для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. Под биотехнологией Эреки понимал "все виды работ, при которых из сырьевых материалов с по­мощью живых организмов производится те или иные продукты".

Хронология дальнейшего развития биотехнологии выглядит следующим образом: в 1943 году освоено промышленное производство пенициллина; в 1944 году обнаружен генетический материал - дезоксирибонуклеиновая ки­слота - ДНК (Эвери, МакЛеод, МакКарти), а в 1953 году - двойная спираль ДНК (Уотсон, Крик); в 1966 году расшифрован генетический код; в 1970 году выделена первая рестриктаза - фермент, способный расщеплять ДНК; в 1973 синтезирован полноразмерный ген т-РНК - транспортной рибонуклеи­новой кислоты (Коран); в 1975 году разработана технология рекомбинантных ДНК (Бойер, Коэн), а в 1976 году - методы определения нуклеотидной по­следовательности ДНК. Последующие годы ознаменовались развертыванием широкого фронта исследований в области генной инженерии, которые при­вели в 1990 году к началу работ над проектом "Геном человека". В 1997 году было впервые клонировано млекопитающее из дифференцированной сома­тической клетки.

Другим примером бурного развития наноматериалов является история создания квантовых компьютеров [1]. В 1985 году профессор Оксфордского университета Д. Дойч предложил математическую модель квантовомехани- ческого варианта машины Тьюринга. В 1994 году П.В. Шор (фирма AT & T Bell), показал, что квантовомеханическая машина Тьюринга может быть соз­дана практически. 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. В 1998 году М. Такэути (фирма Мицубиси Дэнки) провел принципиальные эксперименты по квантовым вычислительным сис­темам с использованием фотонов. В 1999 году Н. Накамура (фирма NEC) ус­пешно исследовал возможности практической работы квантового компьюте­ра.

Нынешний период в развитии наноматериалов характеризуется резкой активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них

существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ве­дущих индустриальных странах мира [1, 4, 5].

США в этом направлении занимают лидирующие позиции. В 2001 году была утверждена Национальная Нанотехнологическая Инициатива (ННИ), на реализацию которой американское правительство выделило около 500 мил­лионов долларов на текущий год. Основная идея этой программы была сформулирована следующим образом: «Национальная Нанотехнологическая Инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехноло- гий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI века».

В период 1996-98-х годов, предшествовавший принятию ННИ, специ­альный комитет американского Центра оценки мирового состояния техноло­гий (World Technology Evaluation Center, WTEC) осуществлял мониторинг и анализ развития нанотехнологий по всем странам и выпускал для научных, технических и административных специалистов США обзорные информаци­онные бюллетени об основных тенденциях развития и достижениях. В 1999 году состоялось заседание Межотраслевой группы по нанонауке, нанотехни- ке и нанотехнологий (Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology, IWGN), результатом которого стала разработка прогноза ис­следований в области нанотехнологий на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США (PCAST), после чего в 2000 году было официально объявлено о принятии ННИ.

В преамбуле к ННИ президент США Б. Клинтон заявил: «Я выделяю 500 миллионов долларов 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. Предла­гаемая инициатива рассчитана, по крайней мере, на двадцать лет и обещает привести к важным практическим результатам».

Япония, так же как и США, уделяет значительное внимание развитию нанотехнологий. В 2000 году Японская Экономическая Ассоциация (Кэйдан- рэн) организовала специальный отдел по нанотехнологиям при промышлен- но-техническом комитете, а в 2001 году был разработан общий план развития

нанотехнологических исследований. Основные положения этого плана сво­дились к следующему:

определить в качестве основных направлений «прорыва» в нанонауке информационные технологии, биотехнологии, энергетика, экология 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 эти направления стали «флагманами» грядущей нанотехнологической революции;

разработать государственную стратегию развития нанотехнологий, прежде всего, организовать эффективное сотрудничество промышленных, государственных и научных ведомств и организаций в проведении ис­следований.

Государственные расходы Японии на развитие нанотехнологий в 2001 году составили около 420 миллионов долларов, что почти равно объему рас­ходов США в этой области в соответствующий период.

Страны Западной Европы начали проводить исследования в области на- нотехнологий в рамках соответствующих национальных программ. При этом объемы финансирования этих исследований значительно меньше, чем в США и Японии. В ФРГ нанотехнологические исследования поддерживаются в основном Министерством образования, науки, исследований и технологий. В Англии руководство развитием нанотехнологий осуществляет Совет по физико-техническим исследованиям, а также Национальная физическая ла­боратория. Во Франции стратегию развития нанотехнологий определяет На­циональный Центр научных исследований.

Все больше внимания уделяется развитию нанотехнологий в Китае, Южной Корее, ряде других развивающихся стран. В последние годы нано- технологические исследования начали проводиться в странах СНГ, в частно­сти, в России, Украине, Беларуси, как правило, в рамках государственных научных программ.

Предполагается, что в ближайшие годы государственные ассигнования в ведущих индустриальных странах мира на исследования в области нанотех- нологий существенно возрастут. При этом намеченные исследования будут нацелены на решение ряда конкретных задач, такие как создание сверхми­ниатюрных транзисторов и запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти; повышение быстродействия компьютеров в миллион раз;

создание сверхпрочных материалов и разработка на их основе новых транс­портных средств; разработка генетических и медицинских препаратов против раковых заболеваний; разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды и др.