Нанотехноло́гия, совокупность методов и приёмов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1–100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

Нанотехнология возникла благодаря разработкам и исследованиям в различных областях физики, биологии, химии и материаловедения. Помимо изучения и создания наноматериалов с принципиально новыми или существенно улучшенными свойствами, выделяют ещё несколько научно-технологических областей, связанных с созданием и практическим использованием наноустройств (приборов, механизмов или конструктивно законченных частей искусственно созданных объектов нанометрового масштаба, имеющих определённое функциональное назначение). Это прежде всего наноэлектроника и нанофотоника.

Важными областями современной нанотехнологии являются:

• нанобиотехнология – целенаправленное использование биологических макромолекул (белков, полисахаридов, ДНК, РНК) и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств;

• наномедицина – исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств в заданную область организма, восстановления и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.

К началу 21 в. имеется достаточно широкий инструментарий по исследованию наноструктур и разработано множество различных методик диагностики и анализа материала в диапазоне <100 нм. Это различные методы микроскопии (оптическая, электронная, зондовая), спектроскопии, масс-спектрометрии, хроматографии и др. Существует множество технологий создания наноструктур, например методами осаждения слоёв нанометровых толщин (лазерные, электронно-лучевые, ионно-плазменные, химические, термические, электродуговые). Существенно усовершенствованы виды оптической, рентгеновской и других литографий. Получили также развитие методы формирования наноматериалов, например золь-гель процессы, механохимия, криохимия, различные темплатные (от англ. template – шаблон) техники, керамические методы (спекание, прессование и др.).

Принято различать нанотехнологии двух типов в зависимости от того, по какому принципу происходит создание конечного продукта – «сверху вниз» («top-down approach») или «снизу вверх» («bottom-up approach»). В 1-м случае формирование нанометровых структур достигается с помощью измельчения более крупных порошков, частиц или зёрен твёрдого тела. Во 2-м случае происходит целенаправленное укрупнение (самосборка или самоорганизация) исходных элементов структуры – атомов, молекул либо их кластеров (до частиц или структур нанометрового размера). Например, технологии создания гетероструктур с заданными свойствами и на их основе компонентов электроники, получение новых композиционных материалов.

Историческая справка

П. П. Веймарн в 1905–1906 гг. начал систематически изучать строение и свойства нанообъектов, а суть научной парадигмы нанотехнологии сформулировал уже к 1915 г. Это произошло на 45–50 лет раньше, чем своё видение нанотехнологии как новой области физики обнародовал американский физик Р. Фейнман, который до 2012 г. считался основоположником нанотехнологического подхода. Суть заявлений Фейнмана (1959) сводилась к констатации без предварительных систематических исследований, что «научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами». В 1968 г. американские учёные Алфред Чжо и Дж. Артур обосновали возможность использования нанотехнологии в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

Собственно термин «нанотехнология» впервые применён японским физиком Танигути Норио в 1974 г. Первоначально этот термин употреблялся в узком смысле и означал комплекс процессов, обеспечивающих высокоточную обработку поверхности с использованием высокоэнергетических электронных, фотонных и ионных пучков, нанесения плёнок и сверхтонкого травления. Основным импульсом к развитию нанотехнологии послужил ряд ключевых разработок в области приборостроения, совершённых в 1980-х гг. Это прежде всего создание Г. Биннигом и Г. Рорером в 1982 г. сканирующего туннельного микроскопа (Нобелевская премия, 1986). В 1985 г. Р. Смолли, Р. Кёрл и Х. Крото открыли фуллерены, а также впервые измерили объект размером 1 нм (Нобелевская премия, 1996). В 1986 г. Бинниг, К. Гербер и К. Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, что позволило исследовать не только проводящие, но и непроводящие поверхности, измерять рельеф образцов, погружённых в жидкость, т. е. сделало возможным работу с органическими молекулами, включая ДНК. Оба типа микроскопов стали важными средствами наблюдения, изучения и атомного манипулирования в нанообъектах. В 1987–1988 гг. в НИИ «Дельта» под руководством П. Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. В 1989 г. американские учёные Д. Эйглер и Э. Швейцер выложили 35 атомами ксенона на охлаждённом до 4 К кристалле никеля надпись «IBM» (пример нанолитографии с моноатомным разрешением), впервые использовав для этих целей сканирующий туннельный микроскоп, продемонстрировав тем самым возможность наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества, что открывало потенциальную возможность создания молекулярных автоматов. 

В 1991 г. японский профессор Иидзима Сумио использовал фуллерены для создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм, на основе которых могут производиться материалы в сотни раз прочнее стали. В 1998 г. нидерландский профессор С. Деккер создал первый транзистор на основе нанотрубок, для чего ему пришлось впервые в истории измерить электрическую проводимость такого объекта. В это же время появилась технология создания углеродных нанотрубок длиной 300 нм. В 1999 г. американские учёные М. Рид и Дж. Тур разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой. В 2000 г. немецкий физик Р. Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трёхмерной картины внутреннего строения вещества, с разрешением 100 нм. В 2002 г. С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. В 2005 г. компания Intel создала прототип процессора с топологическими размерами 65 нм, а в 2010 г. эта же компания начала выпуск процессоров «Nehalem» (32 нм).

Большой вклад в становление и развитие нанотехнологии внесли отечественные учёные. Это фундаментальные исследования Ж. И. Алфёрова по теории и созданию полупроводниковых гетероструктур; пионерские работы В. Б. Алесковского по развитию методов «химической сборки» – послойного (layer-by-layer) синтеза; создание и внедрение группой учёных под руководством И. Д. Морохова оригинальных технологий получения ультрадисперсных нанопорошков (конец 1970-х гг.) и др. Ко 2-й половине 1970-х гг. относятся и фундаментальные исследования научной школы И. В. Тананаева, впервые предложившего дополнить классические диаграммы «состав – структура – свойства» координатой дисперсности, а также оригинальные работы И. И. Моисеева и М. Н. Варгафтика по созданию гигантских кластеров палладия, ядро которых насчитывает 561 атом металла.

Развитию нанотехнологии в мире уделяется огромное внимание – сформированы различные международные агентства и государственные структуры, в ответственность которых входит формирование политики в области нанотехнологии. Так, в США в 2000 г. началась разработка программы «Национальная нанотехнологическая инициатива» («National Nanotechnology Initiative»), задачей которой является создание и продвижение плана по развитию фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологии, содействие процессу внедрения и коммерциализации результатов исследований и разработок, развитие образовательных программ и инфраструктуры в области нанотехнологии и т. п. (в 2007 г. представлен стратегический план программы). В Европейском союзе разработана аналогичная программа [«Towards a Strategic Nanotechnology Action Plan (SNAP) 2010–2015»]. Для реализации государственной политики в сфере нанотехнологии в марте 2011 г. путём реорганизации созданной в 2007 г. государственной корпорации «Российская корпорация нанотехнологий» образовано ОАО «РОСНАНО», задачей которого является коммерциализация разработок в области нанотехнологии.

Перспективы развития

Нанотехнологии имеют огромное практическое значение для важнейших отраслей экономики и других сфер человеческой деятельности. Эксперты выделяют 3 области, на которые нанотехнологии окажут наибольшее воздействие в среднесрочной перспективе, – энергетику, информационные технологии и медицину. В энергетике это качественное улучшение компонентной базы устройств (топливные элементы и электрохимические источники тока, устройства преобразования солнечной энергии, твердотельные источники света и др.) и технологий изготовления, что существенно повысит их эффективность и сделает более дешёвыми. В области информационных технологий внедрение и развитие нанотехнологий (в том числе усовершенствование современной полупроводниковой элементной базы, создание новых материалов и технологий формирования электронных структур) скажется прежде всего в направлениях минимизации электронных устройств, в уменьшении энергопотребления, увеличении плотности хранения информации, росте пропускной способности и скорости передачи сигналов в волоконно-оптических сетях, повышении эффективности электронно-оптических, оптоэлектронных и нелинейно-оптических преобразователей.