Открытие микроскопа

9 марта 1931 года немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской был создан первый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ). Первый практический ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто в Канаде в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

ПЭМ это прибор, в котором изображение получается в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца (толщиной порядка 100 нм) с последующим увеличением магнитными линзами и дальнейшей регистрацией на флуоресцентном экране – фотоплёнке.

В конце 1930-х годов появились растровые электронные микроскопы (РЭМ), формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось только начале 60-х годов, когда они достигли значительного технического совершенства.

Достаточно долго идеи нанотехнологии не использовались на практике из-за отсутствия технической базы. Первый сканирующий туннельный микроскопа (СТМ) был создан швейцарскими учеными Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером. 16 марта 1981 года им удалось увидеть отдельные атомы кремния. Этот день считается днем рождения сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). После создания сканирующего туннельного микроскопа Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером (США) в 1986 году был создан атомный силовой микроскоп (АСМ). Эти устройства работают на основе тонкого зонда с радиусом острия около 10 нм, который приближается к поверхности до 1 нм и перемещается над ней с высокой точностью. Основная информация о рельефе поверхности в первом случае (для СЗМ) несет электрический ток, возникающий между зондом и поверхностью за счет туннелирования электронов через потенциальный барьер, а во втором (для АСМ) – сила взаимодействия зонда с атомами поверхности. Отличие АСМ от СЗМ в том, что АСМ наряду с металлическими образцами изучает и полупроводниковые и диэлектрические материалы. Разрешение микроскопов достигает десятых долей нанометра, что позволяет идентифицировать отдельные атомы и с высокой точностью и определять их положение на поверхности [16].

Основной проблемой при исследовании на сканирующем туннельном микроскопе были фоновые помехи, связанные с позиционированием острия микроскопа с точностью до долей атома, сбивалось от малейших вибраций даже вне лаборатории. К тому же с помощью прибора можно было исследовать нанообъекты только на электропроводящей подложке.

Современные сканирующие микроскопы можно уже назвать наноскопами, которые различают по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 часть диаметра атома водорода), по горизонтали около 0,2 нм.

В 1980-1981 годах ученые уже разработали метод получения нанокластеров для детального изучения многоатомных молекул, особенно для металлов переходных структур. В эксперименте кластеры, состоящие из 40-100 атомов, получались путем лазерного испарения в сверхзвуковых соплах. Используя данный метод в 1984 году, немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры. С 1982 по 1985 годы, а профессором Гербертом Гляйтером, изучавшим структуры различных конструкционных материалов было предложена концепция наноструктуры твердого тела.

Проект «Геном Человека»

Сейчас японские исследователи в области нанотехнологии являются лидерами. В дальнейшем, очевидно, будет продолжаться борьба за техническое лидерство в ведущих направлениях как информационные технологии и биологические науки. Если в 1980 году основные развития были в области полупроводниковой техники, то сейчас заметно выявляются совсем новые области как наноэлектроника и биоэлектроника. С девяностых годов началась реализация международного проекта по определению порядка укладки примерно 3 миллиардов нуклеотидных остатков в записи генетической информации, что является блестящим прорывом в биологии и медицине. В 1990 году началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 миллиардов нуклеотидных остатков в записи генетической информации проекте «Геном Человека», ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. В развитии нанотехнологии этот проект является исключительно важным для открытия новых возможностей. В информационных технологиях этот проект использует принципы обработки информации в живой природе - биоинформатике. До девяностых годов информационная технология была лишь ветвью электроники, а после она отросла как независимая отдельная веточка, называемая биоинформационной технологией. В результате осуществления проекта «Геном Человека» произошло скачкообразное развитие новых исследовательских методик биотехнологии [15].

В 2000 году проект «Геном Человека» был завершен в результате опознания учеными генетической информации в человеческом организме. Этот проект привел к созданию новых лекарств работающих по новым принципам, начались новые разработки в отрасли фармацевтической промышленности, а также стали расширяться сферы всего делового бизнеса.

В наш век лекарственные аппараты будут производиться для каждого конкретного пациента на основе его индивидуальной генной информации. Эти препараты будут обеспечивать максимальный лечебный эффект для каждой болезни. Такая система лечения получила название «индивидуальной» терапии, использование которой откроет перед практикующими врачами огромные перспективы. Дальнейшие исследования приведут к переходу от генома человека к изучению молекулярной структуры белков, механизмов их особых взаимодействий и функционирований в живых организмах. Решая такие вопросы, ученые приведут нас к решению многих задач и проблем, связанных с информационными технологиями. Изучение и применение механизмов взаимодействия на молекулярном уровне важны как для биологии, так и для нанонауки в целом.

Поэтому фундаментальные исследования в области нанотехнологии должны фокусироваться для решения проблем связанных с изучением механизмов на молекулярном уровне. На практике очевидно, основное внимание будет уделяться проблемам биотехнологии и к дальнейшему развитию полупроводниковой техники в информационных приложениях.

В области медицины будут решаться актуальные ныне болезни как борьба со старостью, лечение многих заболеваний, победа над раком. С огромной вероятностью можно сказать, что ученые в ближайшем будущем займутся проблемой бессмертия человека. Очевидно, что нанотехнология оправдает ожидания и стремление человека не мгновенно, а с прохождением некоторого промежутка времени. К середине столетия уже можно ожидать прогрессивный прорыв в информационных технологиях, биологии, медицине и во многих областях науки.