НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Научные основы нанотехнологии

Изучение наноструктур знаменует новый этап в развитии физики и биологии, поскольку по своему размеру они занимают промежуточное положение меж­ду молекулами и микроскопическими объектами (т. е. объектами размером порядка 1 мкм). Они содержат поддающееся счету число атомов и, следова­тельно, подходят для решения технологических задач на атомном уровне. Наноструктуры ведут себя подобно хамелеонам: если рассматривать их как молекулы, то ввиду своего сравнительно большого размера они проявляют своеобразные квантовые особенности поведенім; если рассматривать их как материалы, то они обнаруживают характеристики, которые не наблюдаются у более крупных (даже порядка 1 мкм) структур. Нанообъекты характеризуются малыми размерами, сложной внутренней организаций, способностью к очень плотной упаковке, сильными латеральными (боковыми) взаимодействиями, а также очень высоким отношением площади поверхности к объему.

Наноструктуры естественно подходят для технологического использова­ния квантовых эффектов. Микроструктуры образуют основу технологий со­временной микроэлектроники. Хотя микроструктуры также слишком малы для непосредственного наблюдения и изучения, их свойства в основном опи­сываются законами макроскопической физики. Наноструктуры фундамен­тально от них отличаются: их характеристики — особенно электрические и магнитные — преимущественно описываются законами квантовой физики. Поэтому они могут стать ключевыми компонентами аппаратуры для инфор­мационных технологий нового типа. На их основе можно создавать материалы с новыми электрическими, магнитными и оптическими свойствами. В неко­тором смысле наноструктуры можно считать уникальным состоянием вещест­ва, особенно перспективным для создания новых, потенциально очень полез­ных материалов и изделий.

Малые размеры наноструктур позволяют упаковывать их очень плотно, что дает возможность значительно повысить «информационную емкость» единицы объема. Плотная упаковка приводит к многообразию электрических и магнитных взаимодействий между смежными (а иногда и удаленными) эле­ментами структур. Такие взаимодействия очень часто позволяют (особенно в случае больших органических молекулах) варьировать структуру; возможные конфигурации молекул отличаются небольшой разницей в энергиях. Иногда структура может быть усложнена путем использования поверхностно-актив­ных материалов, свойства которых отличаются от свойств самих нанострук­тур. Возможности такого усложнения структур практически еще не исследо­ваны, а для создания технологий на этой основе еще предстоит провести целый ряд фундаментальных научных исследований. Новые «уровни сложно­сти» связаны с возникновением комплексных нелинейных систем с такими свойствами, которые никогда ранее не наблюдались ни на молекулярном, ни на микроскопическом уровне.

Исследование наноструктур в последние несколько лет стало общим на­правлением для многих классических научных дисциплин. В электронике изу­чение наноструктур позволило расширить область действия закона Мура и обосновать переход от классических устройств к квантовым, что влечет за со­бой разработку принципиально иной архитектуры процессоров. В молекуляр­ной биологии наноструктуры выступают в качестве основных «двигателей» клетки (гистоны и протеосомы), компонентов клеточных структур (хлоропла - стов, рибосом, митохондрий), а также участвуют в процессах репликации и транскрипции. Они входят в состав структур, ответственных за каталитические процессы (например, образуют активные центры в порах цеолитов и т. д.). Воз­можность контролировать взаимное расположение примесей и дефектов, а также объединять органические и неорганические наноструктуры сулит со­здание нового поколения улучшенных композиционных материалов. В каж­дой из этих дисциплин вырабатывались собственные методы и собственный подход к нанонауке, поэтому интеграция знаний, полученных в различных об­ластях исследований, представляет собой важную общенаучную задачу.

Нанонаука — одно из самых перспективных направлений развития нау­ки и техники. Нанонаука не только обещает стать генератором новых техно­логических приемов, но и будет средоточием острой международной конку­ренции.