Один нанометр (от греческого "нано" -- карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов.
Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.
1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп -- вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).
Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме "Цейс", но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.
1939 г. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).
1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.
1971 г. Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь 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.
Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.
1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.
1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.
СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах.
Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи -- острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.
1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены -- молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.
Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью -- в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно.
Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.
1987--1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П. Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.
Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго -- атомы быстро разбежались с поверхности.
Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.
Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными -- их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор -- робот размером с человека, состыкованный 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.
Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.
1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.
1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.
Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.
В Японии запущена программа "Astroboy" по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.
1999 г. Американские ученые -- профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) -- разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.
Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии -- создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.
Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.
2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
Современное состояние рынка нанотехнологий
Сегодняшний уровень зрелости нанотехнологий примерно соответствует уровню зрелости ИТ 60-х годов XX века. Правда, по скорости взросления наноподходы значительно опережают своих информационных "коллег". Текущие достижения пока весьма разрозненны и не систематизированы.
Наиболее значительных прикладных успехов добились, конечно, производители микроэлектроники. Кроме того, в самое ближайшее время ожидается начало массового и дешевого производства нанотрубок, что окажет стимулирующее влияние на выпуск новых материалов, отличающихся повышенной прочностью и легкостью.
Ведущие косметические и фармацевтические фирмы также начинают переход к нанотехнологиям. Правда, изготавливаемые с их помощью препараты пока остаются самыми дорогими в своих категориях.
И в других областях промышленности достижения единичны, хотя нет никаких принципиальных препятствий к масштабному использованию нанорешений -- дело только за совершенствованием технологических процессов, на что уйдет три -- пять лет.
Электроника
Собственные нанопрограммы развивают практически все ведущие разработчики электроники -- IBM, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Mitsubishi, Motorola, NEC, 3M и др.
Специалисты Intel совместно с учеными университета Беркли продемонстрировали одноэлектронный транзистор на базе открытых нобелевскими лауреатами Ричардом Смэлли, Робертом Карлом и Хэрольдом Крото фуллеренов (молекул углерода С60), служащих сегодня основой углеродных нанотрубок.
А в ряде японских фирм уже проектируются одноэлектронные логические схемы.
Нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM, предложил несколько лет назад технологию миллипедов (millipede).
Он обратил внимание на способность силового микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить миллипеды к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество таких ямок.
В результате нынешнюю плотность записи данных на жестких дисках (100 Гб на 1 кв. см) IBM обещает повысить в десятки раз с помощью нескольких сотен параллельно работающих нанозондов.
А в компании Hitachi отрабатывается технология смены полярности наномагнитов, кодирующих биты. К 2010 г. с ее помощью плотность записи данных можно будет увеличить в 100 раз.
Значительное внимание нанотехнологи уделяют направлению микроэлектромеханики (Micro-ElectroMechanical Systems) -- миниатюрным промышленным системам, объединенным с чипами. По оценкам NEXUS (Европейская ассоциация MEMS-производителей), MEMS-рынок вырастет с 240 млн. долл. в 1996 г. до 690 млн. долл. к 2005-му.
В этом году стало известно о переговорах представителей компаний Intel, AMD и Apple с руководством фирмы Cooligy, выпускающей MEMS-системы водяного охлаждения процессоров.
Предложенный Cooligy электрокинетический MEMS-нанос прогоняет воду по микроканалам процессора, снимая в четыре раза больше тепловой энергии (1 кВт), нежели существующие системы воздушного охлаждения.
Военное научное агентство DARPA на базе MEMS готовит микросамолет длиной 15 см и массой 50 г, способный держаться в воздухе 60 мин, подниматься на высоту 10 км и двигаться со скоростью 30 км/ч. Он оборудован видео- и инфракрасной камерами и радаром, а его бортовой микрокомпьютер обеспечивает самостоятельное движение по заданному маршруту.
Но на смену недавно появившемуся термину MEMS уже спешит новый -- NEMS (наноэлектромеханика), и MEMS-производители обещают на базе нанотехнологий выпустить через год-два умные радиодатчики RFID с микроантеннами.
Энергетика
Ученые университета г. Тулса (шт. Оклахома) изобрели батареи размером 1 мкм, которые прекрасно подойдут для питания крохотных роботов.
В научных институтах ряда стран проходят финальные стадии экспериментов по созданию углеродных электродов на основе одностенных нанорожков (особой разновидности нанотрубок) для метаноловых топливных элементов, способных обеспечивать десятки часов непрерывной работы ноутбуков и мобильных телефонов.
Наночастички разных материалов служат отличным катализатором. Так, добавленное в сырую нефть нанозолото значительно повышает качество процесса ее очистки. А присадка к топливу на основе углеродных трубок приводит к его более полной утилизации, снижая к тому же уровень вредных выбросов.
В университете Беркли запущен электрический однолопастный ротор размером 300 нм. Лопасть прикреплена к валу, сделанному из углеродной трубки.