Становление и развитие нанотехнологии
Становление и развитие нанотехнологии. Примерно до 1960-х гг. в фундаментальной науке и её технических и технологических приложениях древо научного познания разделялось на 3 уровня:
уровень элементарных частиц (и субэлементарных, таких как кварки);
макроуровень, который изучает классическая физика.
Развитие представлений об окружающем мире и появление новых направлений в естественных науках, таких как фрактальная физика и геометрия, нелинейная динамика, теория детерминированного хаоса, квантовая химия и др., привели к корректировке представлений о многоуровневой системе организации вещества.
В рамках научного коллектива научной школы российского учёного С. А. Безносюка была разработана фундаментальная концепция целостного иерархического строения вещества, опирающаяся на квантово-полевой подход термополевой динамики и квантово-полевой химии. Концепция многоуровневого строения вещества опирается на представления о веществе как системе, в которой сосуществуют и взаимно влияют друг на друга микро-, мезо- и макрообъекты. При этом динамика микроскопических объектов описывается законами квантовой теории, а динамика макроскопических объектов рассматривается в рамках классической физики. Объекты мезомира, расположенные на стыке квантового мира и мира классической физики, являются переходными, и их описание отличается особой сложностью. Причём все 3 уровня рассматриваются как объекты приложения законов квантовой теории поля.
Успехи современного материаловедения и метрологии, особенно после изобретения туннельного электронного микроскопа и развития методов туннельно-зондового массопереноса, также продвинули исследования в области микротехнологии в нанометровый диапазон.
Научное направление, связанное с ультрадисперсным состоянием вещества, называемым наносостоянием, зародилось в СССР в начале 1950-х гг. на предприятиях оборонно-промышленного комплекса, а с начала 1970-х гг. и во многих открытых организациях, что подтверждается соответствующими публикациями.
Революционным моментом явился переход от элементной базы электроники на дискретных элементах к планарной технологии интегральных микросхем. Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ 3-го поколения, принадлежит американским учёным Дж. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга в 1958 г. Все мезоструктуры на этой схеме вытравливались вручную с помощью маскирования парафином. Историческая реконструкция первой в мире интегральной микросхемы приведена ниже.
Модель первой в мире интегральной микросхемы. 1958.Аналогичные работы успешно проводились в СССР. В июле 1962 г. сотрудниками Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина) [ныне Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина)] И. Г. Казариным и О. И. Шевченко была спроектирована и изготовлена аналогичная интегральная микросхема. Более десятка лет лучшей ЭВМ в мире считалась советская БЭСМ-6, собранная на дискретных элементах – транзисторах.
Переход к интегральной схемотехнике стимулировал развитие исследований по повышению степени интеграции микросхем и уменьшению размеров их элементов. Согласно эмпирическому закону, количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Соответственно уменьшается размер элементов микросхемы. До определённого предела процесс этот можно было считать механистическим. Переход же от субмикронной технологии к наноразмерной потребовал пересмотра многих фундаментальных положений и научной парадигмы.
Определение нанонауки как области знания, имеющей дело с объектами, размер которых не превышает 100 нм, основано только на механистическом подходе. Вернее будет определять принадлежность объекта к наномиру, если, выходя за рамки наносотояния, он демонстрирует или приобретает новые свойства. Необходимо оперировать понятиями «вещество» и «нановещество», которые являются универсальным; из этого вещества (или нановещества) можно с помощью определённой технологии приготовить материал, а из него – изделие (структуру).
Наносостояние – не простой переход к другому масштабу процессов, не количество или качество. Его можно рассматривать как особое состояние вещества, а нанотехнология, наноиндустрия, нанохимия, нанофизика, нанобиология и др. являются отраслями науки, которые изучают или используют вещества в наносостоянии. Любое вещество может быть переведено в наносостояние – вопрос лишь в степени дисперсности. Иногда достичь необходимой степени дисперсности при существующем уровне технологии и метрологии не представляется возможным. «Если при уменьшении объёма какого-либо вещества по одной, двум или трём координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними – к нанотехнологиям» (Наноматериалы и нанотехнологии. – 2003. – С. 4).
Свой вклад в создание научной парадигмы нанотехнологии внесли многие российские и советские учёные (П. П. фон Веймарн, Г. А. Гамов, В. Б. Алесковский, Ж. И. Алфёров, А. Гейм, К. С. Новосёлов и др.) и их научные коллективы. Приоритет работ по диспергированию материалов и приведению их в мелкодисперсное состояние принадлежит школе академика П. А. Ребиндера (1898–1972). Во многом эти работы заложили фундамент нанохимии.
«Отцом» нанотехнологии принято считать Р. Фейнмана, который в своей лекции «There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics», прочитанной на рождественском обеде Американского физического общества 29 декабря 1959 г., говорил о «...крошечных роботах, снабжённых серводвигателями и маленькими "руками", которыми могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д.» (Фейнман Р. Ф. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики / пер. с англ. А. В. Хачояна // Российский химический журнал. – 2002. – Т. 46, № 5. – С. 5–6). Он также высказал идею своего друга, американского физика А. Хиббса, об использовании таких роботов в медицине. Размышляя о создании наноустройств, Фейнман предупреждал о многих проблемах, связанных с природой нанообъектов, и о необходимости быть готовыми к ним при разработке. Фейнман отмечал, что, научившись регулировать и контролировать структуры на наноуровне, можно получить материалы с совершенно неожиданными свойствами и эффектами – от масел и смазок до конструкционных материалов.
Сам термин «нанотехнология» впервые применил японский исследователь Танигути Норио в 1974 г. Свои исследования Танигути проводил в Токийском университете науки, занимаясь изучением ультрапрецизионной обработки материалов с помощью различных технологий – электрического разряда, микроволн, ионных и электронных пучков. Нанотехнологиями (nano-technology) он называл процессы создания структур с точностью порядка нанометра при помощи фокусированных электронных и ионных пучков, методов осаждения атомных слоёв и т. д., не формулируя при этом принципы научной парадигмы.
Истинным основоположником нанотехнологии следует считать П. П. фон Веймарна, профессора Горного института Императрицы Екатерины II. В 1915 г. Веймарн постулировал, что между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих ей новых физико-химических свойств – ультрадисперсное или коллоидное состояние, образующееся при степени его дисперсности в области 10–5–10–9 м, в котором плёнки имеют толщину, а волокна и частицы – размер в поперечнике в диапазоне 1–100 нм. Новизна этого положения состояла в том, что впервые было обращено внимание на особое состояние вещества в нанометровых объектах и возможность получения их новых свойств. Это вполне соответствует наиболее ранней научной парадигме нанотехнологии (с элементами предвидения), актуальной и в наши дни.