Становление нанотехнологии
Нанотехнология берет свое далекое начало со времен греческого философа Демокрита. Он приблизительно в 400 г. до н.э. впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малейшей частицы вещества (рис. 1) [6, 7]. Несколько веков спустя римский писатель Лукреций Кар (99—55 гг. до н. э.) посвящает атомам поэму: «Вселенная состоит из бесконечного пространства и бесконечного числа минимальных частиц, атомов, также бесконечно разнообразных … Атомы отличаются формой, размером и весом; они тверды, неизменяемы, предел физической делимости…» [8].
Рисунок 1. Греческий философ Демокрит, понятие атома [9].
Древние Египтяне, Греки и Римляне несколько тысяч лет назад уже пользовались наночастицами свинца для создания красителей. Было установлено, что древние косметологи использовали свинцовое соединение, в котором диаметр частиц достигал 5 нанометров. Также они применяли частички минерала галенита - сульфида свинца для этих же целей. Сульфидный раствор глубоко проникает в волосы, изменяя цвет волос на темный оттенок. Как определили ученые, размеры этих частиц соизмеримы с размерами квантовых точек. Черная окраска волос получается в результате рассеяния на поверхности волоса скопления наночастиц белка меланина размерами 100-300 нм. Но наночастицы галенита размером в 60 раз меньше лучше проникают в волос и цвет волос со временем не теряется. С тех пор уже прошло две тысяча лет как люди пользуются уже нанотехнологиями [10].
Как известно кристаллы многих минералов и драгоценных камней найдены и сохранены до наших дней еще несколько тысячелетий назад. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее одиннадцатого века нашей эры. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в Сесоине, сокровищнице японских императоров в Нара [11].
Если наблюдать историю развития науки, то можно заметить, что новая информация всегда принималась с трудом и особенно если она противоречила устоявшимся мировоззрениям. К примеру, на западе около двух десятилетий устойчиво существовало убеждение, что земля плоская. Те, кто имели иные взгляды, объявлялись еретиками и наказывались. Ярким примером служит сожжение на костре Джардано Бруно в 1600 г по приказу святой католической инквизицией.
Аристотелевская логика – основа всей научной мысли утверждает, что один объект не может быть одновременно «А» и не «А». Но эта логика не может объяснить, что электрон одновременно частица и волна, но прекрасно объясняется квантовой физикой.
Иоганн Кеплер, знаменитый астроном, живший в 17 веке занялся изучением снежинок и опубликовав свои идеи в 1611 году. Он объясняет правильность формы снежинок простотой и одинаковостью строительных блоков [8].
Со II до XVII века была наука, называемая алхимия. Алхимики искали эликсир жизни, дарующий бессмертие и философский камень, позволяющий превращать свинец в золото. Сейчас из алхимии выросла большие отрасли, как органическая и неорганическая химия, не говоря уже о нанотехнологии. Алхимия привлекала всех своей мистичностью, магией, большими деньгами, невероятными огромными возможностями, большими надеждами и обилием шарлатанов. Роберт Бойль (1627-1691 гг.) впервые ввел понятие элемента и количественные соотношения, создав химию как науку. Мистическая алхимия сменились объективной реальностью.
В первой половине 17 века Амедео Авогадро (1776-1856 гг.) профессор физики первый подверг анализу вопрос о количестве составляющих частиц в одной капле воды. В одной капле воды содержится 1000 000 000 000 000 000 000 атомов воды, тогда как один атом воды соразмерен с миллионной долей одного миллиметра. Чтобы визуально представить, что такое размер атома приведем известный следующий пример: диаметр одного атома магния относиться к теннисному мячу как теннисный мяч к земному шару [12].
В средние времена как таковой химии и физики как сейчас не было, а была только философская основа старой вековой алхимии. Со времен Аристотеля считалось, что земля состоит из четырех стихий воды, земли, огня и воздуха. Но ирландский химик Роберт Бойль в 1661 году опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, утверждая, что все состоит из «корпускул» – сверхмалых деталей, которые при различных сочетаниях могут образовать различные вещества. Впоследствии все эти идеи Демокрита и Бойля были все же приняты научным сообществом [10].
Первая индустриальная и энергетическая научно-техническая революция условно отчитывается с 1769 года, когда Д. Уатт получил патент за усовершенствованный паровой двигатель. Двигатель резко увеличил производительность труда в сельском хозяйстве и транспорте. Прогресс произошел благодаря технологиям изготовления продукции из железа и они связаны с обыденным нам макромиром [13].
Зибер из Фрайбурга в 1824 г., исследуя формы кристаллов, предположил, что элементарные составляющие кристаллов кирпичики - атомы являются маленькими сферическими частичками. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом, как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным состоянием системы идентичных атомов [11].
В «Философских Трудах Королевского Общества» великий физик Майкл Фарадей в 1857 опубликовал статью, в которой он пытается объяснить, как металлические включения влияют на цвет витражного стекло. Но первым зависимость цвета стекла от вещества металлических включений и их размера смог объяснить Густав Ми в своей опубликованной работе в «Анналах Физики» в Лейпциге в 1908 году.
Первый шаги в истории нанотехнологии были сделаны американским изобретателем Джорджем Истмэном основателем компании Kodak. Он изготовил фотопленку в 1883 году.
Фотография, которая начала свое интенсивное развитие в XVIII-XIX вв., базируется на явлении образования наночастиц серебра под действием света. Фотопленка представляет собой эмульсию галогенида серебра, к примеру, бромида серебра в желатине, нанесённая на основу из прозрачного ацетата целлюлозы. Свет попадая на фотопленку, разлагает галогенид серебра с образованием наночастиц чистого серебра, которые и являются пикселями изображения.
Важной датой в истории физики является 1912 г., когда в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад на тему «Интерференция рентгеновских лучей». Лауэ выступил с изложением по теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду в первой части доклада. Затем во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В этих экспериментах кристалл сульфата меди рассеивал рентгеновский свет подобно тому, как тканевая поверхность зонта рассеивает свет фонаря – кристалл должен был состоять из атомов, собранных в упорядоченную структуру, подобно нитям в ткани зонта или лежащей на рынке горе апельсинов. Работа впервые доказала что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. Именно с этих дней началась физика, о которой мы знаем сейчас [11].
На вопрос, почему атомы в кристалле располагаются упорядоченно можно ответить следующим образом: материя всегда старается принять такую наиболее удобную форму, чтобы затраты энергии были минимальны в равновесном состоянии. Поэтому наиболее удобной является правильная, упорядоченная структура. Если орехи встряхнуть в чашке, то они образуют правильный рисунок, а атомам это сделать еще проще [8].
Автор книги «Введение в нанотехнологию» Чарльз Пул приводит хороший пример о «Кубке Ликурга» в Британском музее, на стенках которого имеется изображение жизненных сцен великого спартанского законодателя. Этот кубок был произведен древнейшими римскими мастерами и содержит микроскопические частицы золота и серебра, которые добавлены в стекло. Кубок меняет цвет от темно-красного до светло-золотистого при различном освещении [14].
В 1947 году, после изобретения транзистора началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Создавались новые интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы и т. д. Параллельно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В настоящее время плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках достигает 1 гигабит/кв. дюйм [15].
Американский физик нобелевский лауреат Р. Фейнман (рис. 2) впервые в 1959 г. выдвинул идею о создании веществ, с требуемыми свойствами путем выстраивания отдельных атомов в нужном порядке. Его лекция называлась «There is plenty room in the bottom», что в переводе на русский язык означает «Там внизу много места». В дальнейшем Э. Дрекслер развил эту идею, опубликовав в 1986 г. книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», в котором рассказывается о методах создания новых механизмов из отдельных молекул и атомов. Необходимо тут отметить, что термин «нанотехнология» был впервые использован в 1974 г. японским ученым Н. Танигучи, но этот термин означал точную обработку материалов с точностью десятых долей нанометров [16].
Рисунок 2. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман [17].
Необходимо отметить, что Джон фон Нейман ученый математик, который разработал теоретическую модель устройства компьютера, выдвинул идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков еще задолго до работ Дрекслера. Он создал первое устройство с клавишным вводом данных. Он родился, в еврейской семье, в Венгрии, и его предки были выходцами из России.
Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу. Самовоспроизводящиеся машины являются основными свойствами нанороботов. По словам Неймана, эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие совершенные комплексные создания.
Фон Нейман был антикоммунистом и однажды во время слушаний в Сенате США заявил о своей антикоммунистической идеологии, которая была более воинственной, чем просто нормальной. Чтобы препятствовать созданию атомной бомбы в Советский Союз он призывал к предупредительной атомной атаке.
В 1964 году Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации Integrated Electronics Technologies Incorporated, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Он показал, что новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени 18—24 месяца и зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления. Информационная емкость микросхем возрастала каждый раз примерно в два раза. В развитии микроэлектроники наблюдалась миниатюризация компонентной базы и, конечно же, это приводило к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.
Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.
Американский физик Рассел Янг в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство называемый пьезодвигатель. Сейчас эти сегменты применяются в сканирующих туннельных микроскопах для позиционирования наноинструментов то есть для поиска нужных объектов на изучаемой поверхности.