Нанонауки

Но как же это нас угораздило, начав с нанотехнологии как таковой, то есть с разработки все новых и новых приемов манипуляции одиночными атомами, оказаться перед такой грудой или кучей нанотехнологий, сыплющихся в наши дни как из рога изобилия или мешка Деда Мороза? Об этом пойдет речь в первой главе, где будет рассказано о невероятной, невообразимо запутанной политической операции, которая представляла собой беспорядочную череду стычек, боев и затяжных сражений за влияние, деньги и победу над соперниками. Однако эта небезболезненная суета за несколько лет вернула все к исходной точке, на круги своя, обратившись к нанотехнологии в ее первичном значении или скорее наброске такового. Нынешние нанотехнологии основываются на тех же технологических принципах, которые существовали и до изобретения туннельного микроскопа, но доводят миниатюризацию до предела, когда волей-неволей приходится измерять допуски и посадки в нанометрах. Уже вполне обычными кажутся устройства с габаритами в десятки нанометров, а это значит, что речь идет о немногих тысячах атомов. О таких малюсеньких чудесах рассказывает глава 2, в которой прослеживается захватывающая история миниатюризации, изобиловавшая многими драматичными приключениями; особое внимание будет уделено путеводным вехам процесса, который часто путают, напрасно и ошибочно, с нанотехнологией.

Изложение истории собственно нанотехнологии начнется с главы 3. Физики издавна мечтали о возможности подобраться как можно ближе к отдельному атому или к одиночной молекуле. Изобретение туннельного микроскопа превратило эти грезы в явь. Отныне и впредь ученые вольны добираться до молекулы и изучать ее, словно дотрагиваясь до нее пальцем. Пока можно говорить лишь о первых плодах, сорванных первопроходцами этого материального мира «на самом дне». Теперь физики пытаются выяснить, подчиняются ли явления, наблюдаемые при использовании нанометрической измерительной шкалы, уже известным законам природы или же они ставят под вопрос прежние представления о физике.

Располагая туннельным микроскопом, можно — заведомо! — построить, укладывая атом за атомом, любые молекулы любой структуры, как существующие в природе, так и воображаемые! Правда, синтез новых молекул давно уже никакая не невидаль. Этим занимаются изо дня в день сотни лабораторий, разрабатывающих красители или лекарства… Однако эти новые молекулы производятся миллиардами и миллиардами единиц за раз (в одной капле воды содержится более 1500 миллиардов миллиардов молекул!). А вот молекула, построенная с помощью иглы туннельного микроскопа, всего одна.

Вооружившись туннельным микроскопом, физики и химики при случае тоже создают новые молекулы, если это, например, помогает создать новые наномашины, новые механические двигатели или новые вычислительные устройства, еще меньшие по размерам, чем существующие. И этот восходящий подход — весьма многообещающ: уже исследуется возможность функционирования удивительнейших сверхкрошечных машин, состоящих, в сущности, из одной-единственной молекулы, и мы поговорим в главе 4 о том, какими будут следующие поколения механизмов этого рода и на каких сборочных линиях их будут собирать.

Полученное с помощью туннельного микроскопа изображение 51 атома золота (и еще одного атома, химическую природу которого выяснить не удалось) на поверхности кристалла золота. Атомы выглядят бугорками высотой 0.15 нм (нанометр — миллионная доля миллиметра). Каждый из этих атомов был перемещен иглой микроскопа, с тем чтобы образовалась надпись: NANO (нано). При точности позиционирования порядка 0,05 нм наименьшее расстояние между соседними атомами разных букв равно 1,2 нм. Надпись, подстановкой атома к атому, создали специально для настоящей книги и под руководством ее автора на низкотемпературном микроскопе компании Createc исследователи Соэ Вэ-Хё и Карлос Мансано из группы Atom Technology института IMRE при агентстве A*STAR в Сингапуре. Размеры изображения: 10 x 30 нм