Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

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

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

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигучи (Norio Taniguchi) из Токийского 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) обнаружили 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 немецкий физик Герд Карл Бинниг (Gerd Karl Binnig) и швейцарский ученый Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали растровый туннельный микроскоп (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия 1986 года вместе с Э. Руской). 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, собирая 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.

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

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 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул (в первую очередь металлов переходных структур).

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 год, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

В 1985 году коллектив ученых в составе английского химика Гарольда Крото (Harold Walter Kroto) из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла (Robert Floyd Curl), Джеймса Хита (James Heath) и Шона О’Брайена (Sean O’Brien) под руководством Ричарда Смолли (Richard Errett Smalley) в университете Райса (США) получил новый класс соединений – фуллерены – и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициатором поиска был Г. Крото, изучавший лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

Открыватель фуллеренов, лауреат Нобелевской премии Ричард Смолли

В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена – это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

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 том же 1985 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг (Klaus 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 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.

В 1986 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.

К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих туннельных микроскопов.

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

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

В это же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет (Warren Robinet) и химик Стэн Уильямс (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 Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов инертного газа ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы (рис. 1). Для получения надписи был использован сканирующий туннельный микроскоп. Сделанная надпись просуществовала недолго – атомы быстро «испарились» с поверхности, однако сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоего вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в определенной позиции как логическое состояние.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

В продолжение этой темы следует отметить, что в 2008 году ученые из Израильского технологического института (Технион) в честь 6о-летия образования своего государства создали уже целую нанокнигу – Библию. Содержание всего Ветхого Завета было нанесено на кремниевую частицу, размеры которой не превышают 0,5 мм2 (размер булавочной головки).

Рис. 1. Надпись на монокристалле никеля из атомов ксенона (рисунок с сайта mrsec.wisc.edu/./images/ibm.jpg)