Глава 2

2Общие положения

2.1Объекты и процессы нанотехнологий

Реально к наночастицам принято относить объекты и процессы, характеризующиеся размерами в диапазоне примерно от 1 до 100 нм, хотя бы вдоль одной из координат. Какие же объекты относятся к указанному диапазону? Так, диаметр самого маленького атома – атома водорода – составляет примерно 0,1 нм, многие вирусы имеют размер 10 нм, а минимальные элементы в современных больших интегральных схемах – около 100 нм. На наноуровне происходит метаболизм в человеческом организме, биохимические процессы между макромолекулами белков и ферментов. Наночастицы с размерами меньше чем 10 нм проявляют необычные, аномальные физико-химические свойства, которые не описываются на основе известных закономерностей для макросистем. Установлено, что такие наночастицы обладают высокой активностью в труднопредсказуемых химических реакциях, которые не наблюдаются с частицами больших размеров. Таким образом, нанотехнология объединяет объекты, методы воздействия, процессы, связанные непосредственно с трансформацией числа и вида атомов и молекул. Установление зависимости физико-химических свойств от размера наночастицы или количества атомов в ней является одной из основных задач нанотехнологии.

В ряде работ используется следующая классификация объектов нанотехнологии: нульмерные квантовые точки, одномерные, например квантовые линии, кольца, двух‑ и трехмерные образования. Иногда рассматривают пленки, трубки, стержни, фигуры вращения, конденсированные объемные изделия на базе наночастиц, нанопористые материалы, наноустройства, белки, ДНК и т.д.

Одновременно с вышесказанным необходимо помнить, что деление объектов по размерам весьма условно. Будем считать что нанообъекты, как уже говорилось, имеют размеры, грубо говоря, 1–100 нм, объекты микроэлектроники – 1–10 мкн, между ними располагаются объекты мезатехнологии. В то же время эффекты нанотехнологии могут частично проявляться во всех трех условных областях.

Нанотехнология сформировалась в результате развития и объединения важнейших достижений в физике, химии, биологии XX века. До нанотехнологии как доминирующего научного направления XXI века человечество уже использовало и объекты, и процессы на наноуровне. Известно, что именно в нанометровом диапазоне происходят биохимические реакции между макромолекулами и деление клеток в живых организмах, формируется фотографическое изображение, проводятся процессы легирования в полупроводниковых приборах, осуществляется катализ в химическом производстве и ферментативное брожение в пищевой промышленности.

Мощным толчком к становлению нанотехнологии стала разработка сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). Уже самый первый СТМ, созданный в 1981 году в отделении фирмы ИБМ в Цюрихе (Швейцария), дал возможность анализировать положение отдельных атомов. Такого типа микроскопы могут создавать изображение-профиль на поверхности твердого тела с точностью до размеров отдельного атома или молекулы. Этот метод позволил не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные уникальные физические эксперименты. Например, экспериментаторы стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне по транспортировке (перемещению) атомов.

В полупроводниковых технологиях после изобретения первого транзистора в 1947 году, происходит неуклонная миниатюризация базовых элементов. Однако по мере приближения полупроводниковых устройств к одному микрону (1 мкн = 10^–6 м), в них начинают все более заметно проявляться квантово-механические свойства вещества. Поэтому компьютерные технологии (быстродействие, степень интеграции в ЭВМ и др.) достигнут некоторых принципиальных границ, которые потребуют разработки новых технологических приемов и научных принципов. Если в конце XX века, да и в настоящее время, основой электроники являлось полупроводниковая техника, то к настоящему моменту получены первые результаты в новом направлении – наноэлектронике и нанобиоэлектронике.

В 2000 году был завершен проект “Геном Человека” по расшифровке генетического кода, ставшего настоящим прорывом в биологии и медицине. Этот проект явился существенно важным для становления и развития нанотехнологии. В частности, он открывает огромные возможности в информационных технологиях, позволяя понять и использовать принципы обработки информации в живой материи (биоинформатика).

Но, важно отметить следующее. Наблюдение объектов и процессов в наноразмерном диапазоне, случайный, часто интуитивный, выход на атомно-молекулярный уровень в результате экспериментальной работы без понимания и прогнозирования сути и природы наноэффектов не являются нанотехнологией. Основу нанонауки в целом составляют изучение и понимание механизмов взаимодействия на молекулярном уровне, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и готовой продукции. В прикладных задачах основное внимание будет уделяться энергетике биотехнологии, медицине, экологии, а также прогрессу в компьютерной технике и информационных технологиях.