Нанотехнология

Нанотехнология — это область науки и техники, которая охватывает теоретические основы, практические методы исследования, анализа и синтеза, а также технологии производства и использования продуктов с определённой атомной структурой через управляемое манипулирование отдельными атомами и молекулами.

Практическое применение нанотехнологий включает создание устройств и их компонентов, необходимых для манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. При этом не обязательно, чтобы объект имел хотя бы один линейный размер менее 100 нм; это могут быть макрообъекты с контролируемо созданной атомарной структурой или содержащие наночастицы. Этот термин также охватывает методы диагностики, анализа и исследования таких объектов.

Нанотехнологии принципиально отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные макроскопические методы работы с материалами часто неприменимы. В то время как микроскопические явления, которые кажутся незначительными на обычных масштабах, становятся гораздо более значимыми, такие как взаимодействия отдельных атомов и молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса) и квантовые эффекты.

Нанотехнология, особенно молекулярная технология, — это новые дисциплины, которые начали развиваться относительно недавно. Основные предсказанные открытия в этой области ещё не сделаны, однако текущие исследования уже дают практические результаты. Использование передовых научных достижений позволяет считать нанотехнологию высокотехнологичной отраслью.
 
Современная электроника движется в направлении уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства достигают своих естественных экономических и технологических ограничений, когда уменьшение размеров устройств становится менее значительным, а экономические затраты растут экспоненциально. Нанотехнология является следующим логическим шагом в развитии электроники и других наукоёмких производств.

Многие источники, особенно англоязычные, связывают первое упоминание методов, которые позже будут названы нанотехнологией, с известной лекцией Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места», которую он прочитал в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. В своей лекции Фейнман предположил, что можно будет механически перемещать одиночные атомы с помощью манипулятора соответствующего размера, и что этот процесс не противоречит известным физическим законам.

Фейнман предложил создавать такой манипулятор следующим образом. Нужно построить механизм, который бы производил свою копию, но на порядок меньшую. Затем этот меньший механизм должен снова создать свою копию, снова на порядок меньшую, и так до тех пор, пока размеры механизма не станут сопоставимы с размерами отдельных атомов. При этом конструкция механизма должна изменяться, так как гравитационные силы, действующие в макромире, будут становиться менее значительными, а межмолекулярные взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса будут оказывать все большее влияние на его работу. На последнем этапе механизм будет собирать свою копию из отдельных атомов. Принципиально количество таких копий неограниченно, и за короткое время можно будет создать произвольное количество таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, создавать макроскопические объекты. Это позволит существенно удешевить производство: таким нанороботам потребуется только необходимое количество молекул, энергия и программа для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Вот как Ричард Фейнман описал предполагаемый им манипулятор: Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой будут использоваться "обслуживающие роботы", представляющие собой уменьшенные в четыре раза копии рук оператора, изготовленные обычным способом. Эти микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах с серводвигателями и миниатюрными "руками", которые могут завинчивать маленькие болты и гайки, сверлить крошечные отверстия и так далее. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, нужно сначала изготовить необходимые механизмы, инструменты и манипуляторы в одной четвертой обычной величины (что, очевидно, означает уменьшение всех контактных поверхностей в 16 раз). На заключительном этапе эти устройства будут оснащены серводвигателями (с мощностью, уменьшенной в 16 раз) и подключены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет использовать уменьшенные в 16 раз манипуляторы!

Сфера применения таких микророботов и микромашин может быть весьма широкой — от хирургических операций до транспортировки и обработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о дальнейшем значительном уменьшении масштабов, что потребует дополнительных конструкционных изменений и модификаций (возможно, на определённом этапе придётся отказаться от привычной формы "рук"), но позволит создать новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, так как не существует ограничений, связанных с их размещением или материалоёмкостью. Их объём всегда будет намного меньше объёма прототипа.

Легко подсчитать, что общий объём одного миллиона станков, уменьшенных в 4000 раз (а следовательно, и масса используемых для их изготовления материалов), будет составлять менее 2 % от объёма и массы обычного станка нормальных размеров. Это сразу решает проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и так далее.
По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с необычными физическими явлениями. Всё, с чем мы сталкиваемся в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует проблема "слипания" материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов.

Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно "приклеиваться" к поверхности и так далее. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.