История развития нанонауки.

Воссоздать точную историю возникновения нанотехнологий крайне сложно, поскольку человечество всегда пыталось экспериментировать с технологиями получения материалов, порой даже не подозревая о проникновении в мир наночастиц. Так древние персы и египтяне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысячелетий назад. Подтверждением этому могут служить артефакты древнего мира, хранящиеся в музеях. Глазурь на гончарных изделиях, изготовленных в этот период, содержит наночастицы металлов, которые и обеспечивают ее определенный цвет. В средние века с проникновением арабской культуры в Европу технология создания цветных глазурей и эмалей попала в Испанию, а затем и в Италию. В Британском музее в Лондоне хранится артефакт из Римской империи – кубок Ликурга (на стенах кубка изображены мифические сцены из жизни царя фракийцев Ликурга). Он изготовлен из стекла, содержащего частички серебра и золота размером около 70 нм. Его появление датируют четвертым веком нашей эры. Присутствие наночастиц серебра и золота приводит к оригинальному цветовому восприятию этого кубка. В отраженном свете он выглядит зеленым, а в прошедшем свете, когда световой поток направлен внутрь кубка – оранжево-красным.

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

 

 

Идею создания специальных приборов, способных проник­нуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающий­ся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, фило­соф сербского происхождения Н. Тесла. Именно он предсказал создание в будущем электронного микроскопа.

Очевидно, что первые нанотехнологии и изготовленные с их использованием наноматериалы появились в результате случайных находок древних мастеров и ремесленников. Первые же системные исследования принадлежат М. Фарадею и датируются уже XIX веком. Именно он впервые детально исследовал оптические свойства коллоидного золота – частиц золота с размерами в несколько нанометров в растворе, и показал возможности целенаправленного управления его цветовой гаммой.

XX-ый век вписал наиболее впечатляющие страницы в книгу понимания природы. Он был озарен открытием и исследованием квантовых явлений, на основании которых в физике, химии, биологии, медицине и других естественных науках сформировались концептуально новые научные направления. В этих направлениях получены не только новые фундаментальные знания о природе, но и созданы новые материалы и технологии, инструменты тонкого познания мира, элементы и системы обработки информации. Революционным достижением квантовой теории стало положение о том, что свет испускается и поглощается дискретными порциями – квантами. Было установлено, что и кванты света, и электроны могут вести себя и как частицы, и как волны одновременно. Такое поведение особенно ярко выражено в структурах, имеющих по крайней мере один из размеров в нанометровом диапазоне. Термин “наномир” появился в конце XX-го века как результат обобщения особенностей устройства, свойств и законов поведения наноразмерных структур.

Первопроходцы наномира и их открытия представлены ниже в хронологическом порядке их признания Нобелевским Комитетом. Нобелевские Премии выбраны в качестве зеркала, отражающего наиболее значимые научные достижения, хотя более полный исторический обзор безусловно требует расширения и списка имен, и списка обнаруженных явлений.

1902 (физика): Х. А. Лорентц (Лейденский Университет, Нидерланды) и П. Зееман (Амстердамский Университет, Нидерланды) – за исследования по влиянию магнетизма на радиационные явления. Исследуя механизмы излучения света носителями заряда, Х. А. Лорентц одним из первых применил уравнения Максвелла к носителям заряда в твердом теле. Его теория могла быть также применена к излучению, связанному с колебаниями в атомах.

1906 (физика): Сэр Дж. Дж. Томсон (Кэмбриджский Университет, Великобритания) – за теоретические и экспериментальные исследования электрической проводимости газов. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон, работая с лучами, исходящими из катода в частично откачанной разрядной трубке, впервые идентифицировал носители электрического заряда. Он показал, что эти лучи состоят из дискретных частиц, которые позже назвали электронами. Им была измерена величина отношения между массой этой частицы и массой однократно заряженного иона, что показало существенную “легкость” частиц, обеспечивающих протекание электрического тока.

1913 (физика): Х. Камерлинг-Оннес (Лейденский Университет, Нидерланды) – за исследования свойств вещества при низких температурах, которые попутно привели к получению жидкого гелия. В 1911 г. Х. Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость. Он обнаружил, что электрическое сопротивление ртути уменьшается в миллионы раз при охлаждении ниже некоторой критической температуры.

1918 (физика): М. К. Э. Л. Планк (Берлинский Университет, Германия) – за заслуги в развитии Физики, связанные с открытием квантования энергии.

1919 (физика): Дж. Старк (Грейфсвальдский Университет, Германия) – за открытие эффекта Доплера в канальных лучах и расщепления спектральных линий в электрическом поле.

1921 (физика): А. Эйнштейн (Институт физики кайзера Вильгельма – сегодня Институт Макса Планка, Берлин, Германия) – за вклад в Теоретическую Физику, и в особенности за установление закономерностей фотоэлектрического эффекта.

1922 (физика): Н. Х. Д. Бор (Копенгагенский Университет, Дания) – за исследование структуры атомов и испускаемого ими излучения.

2000 (физика): Ж. И. Алферов (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Санкт Петербург, Россия) и Г. Кроемер (Калифорнийский Университет, Санта Барбара, США) – за разработку полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной электроники и оптоэлектроники и Дж. С. Килби (Тексас Инструментс, Даллас, США) – за вклад в изобретение интегральной схемы.

2003 (физика): А. А. Абрикосов (Арагонская национальная лаборатория, США, Россия), В. Л. Гинзбург (Физический институт им. П. Н. Лебедева, Москва, Россия) и А. Дж. Легет (Иллинойский университет, Урбана, США) – за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести.

2007 (физика): А. Ферт (Университет Париж-Суд, Орсей, Франция) и П. Грюнберг (Исследовательский центр, Юлих, Германия) – за открытие гигантского магнитосопротивления.

Основные понятия.

Нанотехнология — совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Наноматериал — материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Наносистемная техника — созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Наноиндустрия — вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники. В настоящее время термины «нанонаука», «нанотехнология», «наноструктурированные материалы и объекты» вошли в научную терминологию и включены в качестве приоритетных направлений научно-технической политики в России и во всех развитых странах.

Анализ исследований показывает, что развитие научно-технического прогресса будет обеспечивать электроника, компьютерные, био- и нанотехнологии. Ожидается, что развитие электроники и компьютерных технологий достигнет максимума в 2010-2015 гг., вклад биотехнологий, зародившихся в 1960-1970 гг., станет наибольшим в период 2020-2030 гг., а нанотехнологии станут основной движущей силой научно-технического развития в 2040-2050 гг.

Наиболее активны в этой области США и Япония.