Посмотрите вниз!

Там у ваших ног существует огромный и удивительно разнообразный мир насекомых, насчитывающий до 30 миллионов видов, где каждый вид – это очень сложный и слаженный механизм.

И всё это можно увидеть невооружённым глазом.

Давайте спустимся немного ниже, до микроскопических размеров (1 микрон или микрометр = 1/1 000 000 метра). Здесь нам открывается ещё более поразительный мир – мир клеток, бактерий и микробов. Поразителен он тем, что в межклеточных и внутриклеточных процессах наблюдается чрезвычайная организованность и точность действий, иначе наше существование было бы совсем невозможным.

А что же находится там, на уровне наноскопических размеров (1 нанометр = 1/1 000 000 000 метра)? Какой же это мир и как его увидеть? Ведь обычный оптический микроскоп тут нам не поможет. Наверняка, он ещё более сложен и удивителен, чем большие миры. Именно о нём говорил известный американский физик Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции «Внизу полным-полно места», прочитанной им в 1959 году на ежегодном собрании Американского сообщества физиков в Калифорнийском технологическом институте:

...Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной, и может найти множество ценных технических применений. Речь идёт о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьёзно к исследованиям этого мира.

В последние десятилетия нанотехнология и всё, что с ней связано, обрели огромную популярность в СМИ. У общественности же сложился некий стереотип, что любое слово с приставкой «нано» обязательно должно подразумевать какое-то новшество. Тем не менее, некоторые наноматериалы используются человеком с очень давних времён. К примеру, ещё в Древнем Египте люди искусно владели технологией окрашивания стекла, для которого они обычно использовали наночастицы золота или серебра.

Древние стекловары, сами того не подозревая, синтезировали наночастицы этих металлов самых различных форм и размеров, благодаря чему могли придавать стеклу широкую гамму цветов – от фиолетового до жёлтого.

Однако стоить отметить, что данная зависимость цвета от размеров и форм наночастиц была найдена лишь сравнительно недавно.

В качестве ещё одного интересного примера можно привести Кубок Ликурга, изготовленный в IV век н.э. римскими мастерами. Особенность кубка заключается в том, что он способен в зависимости от освещения менять свой цвет – с зелёного на ярко-красный. Многие века учёные ломали головы над этим явлением и выдвигали разные гипотезы. Но лишь в 1990 году был раскрыт секрет: оказывается, стекло кубка содержит наночастицы золота и серебра размерами порядка 50 нм, которые и создают необычный эффект.

Как мы видим, благодаря гончарным и стекольным ремеслам, человечество ещё с древних времён знакомо с некоторыми методами нанотехнологий. Однако, несмотря на такие глубинные исторические предпосылки, образование нанотехнологии, как самостоятельной науки, принято отсчитывать лишь с последней четверти XX столетия. Что же тогда послужило началу этого отсчёта?

Нанотехнология – это область науки, которая занимается созданием, изучением и использованием объектов, размеры которых составляют от 1 до 100 нанометров. Эти объекты из наномира обладают рядом особенностей и преимуществ по сравнению с объектами из макромира. Во-первых, в масштабах наномира действуют силы, характерные и для больших тел, и для атомов и молекул, благодаря чему, например, у наночастиц металлов могут проявляться полупроводниковые свойства. Во-вторых, объекты из наномира настолько малы, что вовсе не имеют дефектов. В-третьих, несмотря на свои мини-размеры, они имеют огромную площадь поверхности на единицу массы. К примеру, металлический куб с ребром 1 см имеет площадь поверхности равной 6 см2. Тогда как этот же куб, разделённый на множество меньших кубиков с ребром 1 нм, будет иметь площадь поверхности в 60 000 000 см2. В случаях каталитически активных материалов, данное явление позволяет ускорить химические реакции в сотни, тысячи и миллионы раз при использовании наночастиц.

Едва появилась возможность видеть наноразмеры, учёные сразу же устремились изучать этот мир и заселять его самыми разными и интересными нанообъектами. И поскольку наномир является промежуточным между макромиром и миром атомов, то и для создания нанообъектов следует основываться на следующих двух принципах:

• top-down – «сверху вниз», то есть от макротел к нанообъектам;
• bottom-up – «снизу вверх», то есть от атомов к нанообъектам. 

Удивительна и история создания графена – сверхтонкого слоя углерода толщиной в один атом. Миллиарды его слоёв образуют графит, из которого и делают грифели для карандашей. Удивительна эта история тем, что в существование графена верили немногие, а те, кто верили, никак не могли получить его. Это удалось лишь в 2004 году двум учёным из Манчестерского университета – Андрею Гейму и Константину Новосёлову. Они, следуя принципу top-down – путем сдирания слоёв графита при помощи липкой ленты (скотча) – получили наконец одноатомный слой графена.

Нанотехнология – это молодая наука, однако её развитие было настолько бурным, что человечество уже вкушает её плоды. Некоторые продукты, использующие наноматериалы, становятся неотъемлемой частью нашей жизни. К примеру, существует антибактериальная одежда с содержанием наночастиц серебра. Наночастицы оксида титана или оксида цинка, способствующие отражению УФ-лучей, содержатся в эффективных солнцезащитных кремах и других косметических средствах. Также некоторые наноматериалы используются в качестве тонких плёнок, придающих материалу, на которые они наносятся, водоотталкивающие, отражающие, противоударные, электропроводные, антимикробные и другие свойства. Нельзя не отметить использование наноматериалов и в солнечных батареях для превращения солнечной энергии в электрическую, и в технологии очистки воды от всякого рода загрязнений.

Среди всех направлений развития нанотехнологии наибольшую популярность в настоящее время имеют такие области, как наноэлектроника и наномедицина. Причём в наномедицине всё более активно рассматривается использование наночастиц золота как для уничтожения нежелательных клеток в организме, так и для адресной доставки лекарств в больные клетки. Вдобавок к этому, существует ещё множество и других интересных возможностей наномедицины. Например, основанный на наночастицах золота, сварочный аппарат для плоти, представленный учёными из Университета Райс, мог бы идеально заваривать и артерии. Также в скором времени станет возможным использование нанороботов, которые будут циркулировать по кровеносным сосудам и диагностировать болезни.

Современная электроника, как известно, идёт по пути миниатюризации. Однако размеры транзисторов невозможно уменьшать постоянно, поскольку после некоторого предела (~10 нм) начинаются неизбежные квантовые эффекты туннелирования. Лишь нанотехнология способна решить эту проблему, а графен – возможно, именно тот наноматериал, который в будущем заменит кремниевую электронику. Из него можно будет делать транзисторы, скорость электронов в котором будет в сотню раз быстрее, чем в кремниевых. Это позволит создать более миниатюрные и быстрые микросхемы, которые и нагреваться будут намного меньше кремниевых. Размышляя о наноэлектронике, как не вспомнить слова Ричарда Фейнмана:

Существующие вычислительные машины слишком громоздки, и мне хочется обсудить возможность существенного изменения их размера...