Физико-технические основы бионанотехнологий и наноиндустрии

ДЖ. РАМСДЕН 

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
БИОНАНОТЕХНОЛОГИЙ  
И НАНОИНДУСТРИИ

Перевод с английского
Л.Н. Кодомского

Дж. Рамсден
Физикотехнические основы бионанотехнологий и наноиндустрии:
Учебное пособие / Дж. Рамсден – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интеллект», 2013. – 336 с.
ISBN 9785915591393

Учебное пособие раскрывает концептуальные основы быстро растущей и развивающейся области нанотехнологии, фокусируя внимание  на самых существенных моментах.
Человек, впервые знакомящейся с нанотехнологией, но имеющий хорошую
подготовку в одной из традиционных дисциплин, таких, как физика, механика
или электротехника, химия или биология, или, возможно, работавший с микроэлектромеханическими системами (МЭМС), сталкивается  здесь с большим объемом важной и интересной информации. В книге сосредоточены основные принципы, теория и практика нанотехнологии. По сути это обширное введение в возможности и ограничения перспективной области исследований и разработок.
   Для студентов, преподавателей и разработчиков в областях нанобиоинфотехнологий.

ISBN 9785915591393
ISBN 9780080964478 (англ.)

© 2011, Published by Elsevier Inc.
All rights reserved
© 2013, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9

Глава 1. Что такое нанотехнология . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1. Определения и общие представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.1.1. Общепринятые определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.1.2. К общим представлениям о нанотехнологии . . . . . . . . . .
15
1.2. Наглядное определение нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.3. Краткая история нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.3.1. Ультрапрецизионное производство . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.3.2. Производство полупроводников и микротехнология . . . . .
21
1.3.3. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.4. Биология как парадигма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.5. Почему нанотехнология? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.5.1. Новые комбинации свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.5.2. Миниатюризация устройств: расширение функциональных
возможностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
1.5.3. Универсальная технология производства . . . . . . . . . . . . .
28
1.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.7. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29

Глава 2. Наношкала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.1. Размер атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.2. Молекулы и поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.3. Образование зародышей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.4. Химическая реакционная способность . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
2.5. Электронные и оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.6. Магнитные и ферроэлектрические свойства . . . . . . . . . . . . . .
45
2.7. Механические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47

Оглавление

2.8. Значение и распространение малых размеров . . . . . . . . . . . . .
49
2.9. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
2.10. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54

Глава 3. Силы, действующие в масштабе наношкалы. . . . .
55
3.1. Казимировы силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
3.2. Внутримолекулярные взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
3.2.1. Концепция поверхностного натяжения . . . . . . . . . . . . . .
57
3.2.2. Критика формализации поверхностного натяжения . . . . .
62
3.2.3. Экспериментальное определение поверхностного натяжения
отдельного вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.2.4. Смачивание и несмачиваемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
3.2.5. Масштабы длины при определении поверхностного натяжения
65
3.2.6. Условия изменения смачиваемости. . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.3. Капиллярная сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.4. Гетерогенные поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.4.1. Смачивание на шероховатых и химически негомогенных
поверхностях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
3.4.2. Тройное взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.5. Конкурирующие слабые взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
3.6. Кооперативный эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
3.7. Перколяция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.8. Структура воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.9. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
3.10. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76

Глава 4. Нано/био интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
4.1. «Физический интерфейс» нано/био . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
4.1.1. Организмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
4.1.2. Ткани . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
4.1.3. Клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
4.1.4. Биомолекулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
4.2. Наномедицина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
4.2.1. Концептуальная система для наномедицины . . . . . . . . . .
92
4.2.2. Более широкое значение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
4.3. Нанотоксикология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
4.5. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101

Глава 5. Нанометрология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102
5.1. Методы измерения рельефа поверхности . . . . . . . . . . . . . . . .
104
5.1.1. Контактные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
5.1.2. Неконтактные (оптические) методы . . . . . . . . . . . . . . . .
109

Оглавление
5

5.2. Химическая структура поверхности (хемография) . . . . . . . . . .
113
5.3. Метрология самосборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
5.4. Представление текстуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
5.4.1. Шероховатость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
5.4.2. Одномерная текстура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
5.4.3. Двухмерная текстура: лакунарность . . . . . . . . . . . . . . .
125
5.5. Метрология нано/био интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
5.5.1. Определение наноструктуры протеиновых корон . . . . . . .
127
5.5.2. Измерение адгезии клетки: взаимодействие исчезающего
поля с клеткой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
5.5.3. Схемы оптических измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
5.5.4. Волноводы обратной волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
5.5.5. Интерпретация изменений эффективного индекса рефракции
133
5.5.6. Интерпретация изменений ширины связанных максимумов
134
5.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
5.7. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
136

Глава 6. Наноматериалы и их производство . . . . . . . . . . . .
137

6.1. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
6.1.1. Измельчение и дисперсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
140
6.1.2. Образование зародышей и их рост . . . . . . . . . . . . . . . .
141
6.2. Нановолокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
6.3. Нанопокрытия и ультратонкие покрытия . . . . . . . . . . . . . . . .
146
6.3.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). . . . . . . . . . . . .
147
6.3.2. Пленки Ленгмюра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
147
6.3.3. Самособирающиеся монослои (ССМ — SAMs) . . . . . . . .
151
6.4. Кристаллизация и супрамолекулярная химия . . . . . . . . . . . . .
154
6.5. Композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
6.5.1. Смеси полимеров с нанообъектами . . . . . . . . . . . . . . . .
156
6.5.2. Композиты металл–матрица . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
160
6.5.3. Саморемонтирующиеся композиты . . . . . . . . . . . . . . . . .
162
6.5.4. Наножидкости для теплопереноса . . . . . . . . . . . . . . . . .
163
6.5.5. Попеременное осаждение из полиэлектролитов . . . . . . . .
164
6.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
167
6.7. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
167

Глава 7. Наноустройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168

7.1. Проблемы миниатюризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
7.2. Обработка цифровой информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
173
7.3. Квантовые вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177
7.4. Электронные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
180
7.4.1. Баллистический транспорт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
180

Оглавление

7.4.2. Обедненные слои . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
181
7.4.3. Одноэлектронные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
181
7.4.4. Молекулярные электронные устройства . . . . . . . . . . . . .
187
7.4.5. Клеточные автоматы на квантовых точках . . . . . . . . . . .
188
7.5. Тенденции в миниатюризации электронных устройств . . . . . . .
190
7.6. Спинтроника (магнитные устройства) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
7.6.1. Сверхчувствительные магнитные сенсоры . . . . . . . . . . . .
193
7.6.2. Другие устройства памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
195
7.6.3. Спин-зависимые транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
196
7.6.4. Логика одиночного спина. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
196
7.7. Фотонные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197
7.8. Механические устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
200
7.9. Жидкостные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
203
7.9.1. Миксеры и реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
206
7.9.2. Химические и биохимические сенсоры . . . . . . . . . . . . . .
206
7.9.3. Устройства преобразования энергии . . . . . . . . . . . . . . . .
208
7.10. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
209
7.11. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
210

Глава 8. Нанофактура устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211

8.1. Методы топ–даун (top–down) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212
8.1.1. Технология полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212
8.1.2. Эпитаксия с различными постоянными кристаллических
решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
214
8.1.3. Электростатическое осаждение распылением (ESD) . . . . .
215
8.1.4. Фелтинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
215
8.1.5. Ультрапрецизионные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
8.2. Методы восходящей разработки (bottom–up). . . . . . . . . . . . . .
217
8.2.1. Самосборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
8.2.2. Термодинамика самоорганизации. . . . . . . . . . . . . . . . . .
221
8.2.3. «Добротность» организации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
8.2.4. Смеси частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
8.2.5. Смешанные полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
225
8.2.6. Блок-сополимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
226
8.2.7. Добавление частиц к границе раздела «твердое/жидкое» .
227
8.2.8. Программируемая самосборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
8.2.9. Суперсферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
234
8.2.10. Биологическая самосборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
235
8.2.11. Cворачивание (фолдинг) биополимеров . . . . . . . . . . . . .
237
8.2.12. Биологический рост . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
8.2.13. Самосборка как производственный процесс . . . . . . . . . . .
240
8.3. Методы «bottom-to-bottom» (технология механосинтеза) . . . . . .
242

Оглавление
7

8.3.1. Tip-based нанопроизводство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
8.3.2. Наноблоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
245
8.3.3. Dip Pen нанолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246
8.4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246
8.5. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
248

Глава 9. Наноматериалы и устройства на основе углерода
249
9.1. Графен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
9.2. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
9.3. Углеродные наночастицы (фуллерены) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
9.4. Применение материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256
9.5. Устройства и их компоненты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
257
9.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259
9.7. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259

Глава 10. Наносистемы и их конструирование . . . . . . . . . .
260
10.1. Системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260
10.2. Выбор материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
10.3. Дефекты в наночастицах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
263
10.4. Пространственное распределение дефектов . . . . . . . . . . . . . . .
265
10.5. Стратегия преодоления отказов компонентов . . . . . . . . . . . . . .
266
10.6. Компьютерное моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
267
10.7. «Эволюционное» конструирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
268
10.8. Критерии оценки рабочих характеристик . . . . . . . . . . . . . . . .
272
10.9. Увеличение масштабных размеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272
10.10. Стандартизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
273
10.11. Творческое конструирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
274
10.12. Технологичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
274
10.13. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
10.14. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
276

Глава 11. Бионанотехнология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
11.1. Структурная природа биомолекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279
11.2. Некоторые основные характеристики биологических молекул . . .
280
11.3. Механизм биологических машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
281
11.3.1. Биологические моторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
283
11.3.2. Микротрубчатые сборки и разборки . . . . . . . . . . . . . . .
285
11.3.3. Затраты на обеспечение контроля . . . . . . . . . . . . . . . .
286
11.4. ДНК как конструкционный материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
287
11.5. Биосенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
288
11.6. Биофотонные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289
11.7. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
11.8. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
292

Оглавление

Глава 12. Воздействие нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . .
293

12.1. Технические революции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
295
12.2. Научное воздействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
299
12.3. Технические воздействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300
12.3.1. Информационные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300
12.3.2. Энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
301
12.3.3. Здравоохранение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304
12.4. Вклад в промышленность и экономику. . . . . . . . . . . . . . . . . .
309
12.5. Вклад в защиту окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
12.6. Вклад в социальные аспекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
313
12.6.1. Регулирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
314
12.6.2. Вклад в военную сферу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
314
12.6.3. Техническая грамотность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
315
12.6.4. Образование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
316
12.7. Вклад в индивидуальную психологию . . . . . . . . . . . . . . . . . .
316
12.8. Некоторые вопросы этики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
317
12.9. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
318
12.10. Дополнительные источники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319

Приложение. Нано-неологизмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
320

Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
325

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
327

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Только в одной Англии вышли в свет сотни книг по нанотехнологии на всех уровнях, начиная от трудов видных ученых, напоминающих подробные отчеты о достижениях в развитии микротехнологии
вплоть до описания перспективных подходов к реализации производительных наносистем. Более того, не только старые научные журналы
с солидной репутацией в области физики и химии завели у себя разделы нанотехнологии, но появилось и множество научных журналов,
посвятивших себя исключительно нанотехнологиям. Число таких журналов растет каждый год. Кроме того, постоянно выходит в свет поток
бизнес-ориентированных сообщений о настоящих и будущих рынках
нанотехнологии; они часто представляют собой увесистые документы,
изложенные на тысяче или более страницах. Трудно при этом оценить
достоверность предлагаемой информации.
Сталкиваясь с этим громадным и разрастающимся объемом литературы, новичок, оказываясь в этой области (возможно, он имеет крепкую
подготовку в одной из традиционных дисциплин, таких, как физика,
механика или электроиндустрия, химия или биология, или работал в
области микроэлектромеханических систем (MEMS), чувствует, что он
сталкивается с в некоторой степени хаотичной и красочной сценой,
из которой часто трудно извлечь смысл. Целью этой книги является
попытка дать общую и полную картину области нанотехнологий, фокусируя внимание на самом существенном. При этом читатель смог бы
составить личное мнение, рассматривая обилие поступающей информации и приводя ее в относительный порядок. При этом основной упор делается на концепции. Цель этой книги можно вкратце сформулировать
следующим образом: «передать смысл нанотехнологий» — объяснить
вещи достаточно досконально, чтобы сделать их удобопонятными.

Предисловие автора

Сама по себе структура книги базируется на системном подходе к
предмету. После основного введения (гл. 1), включающего в себе краткую историю, следует тщательное рассмотрение смысла наношкалы
(гл. 2), от которой так или иначе все зависит, так как нанотехнология
может быть просто (но и с известным подтекстом) определена как «как
технология (или инженерное искусство) в пределах наношкалы».
Эта глава дает сжатую картину всей области. Глава 3 посвящена
рассмотрению межфазных сил, которые управляют ключевыми аспектами всего происходящего в пределах наношкалы. В гл. 4 рассматривается межфазная граница нано/био, которая играет фундаментальную
роль в продолжающейся эволюции нанотехнологии. В гл. 5 рассматриваются метрологические аспекты нанотехнологии, которые также оказывают серьезное влияние на технологию нанопроизводства. В этой главе подробно рассмотрены вопросы метрологии на границе раздела фаз
нано/био, так как это одна из новейших и хорошо изученных проблем
в этой области. Наноматериалы (включая сюда нано-объекты и наноструктурированные материалы) рассмотрены в гл. 6 — за исключением
углеродных наноматериалов (и устройств), которые заслуживают отдельного рассмотрения в гл. 9. Устройства всех видов, изготовленные
в пределах наношкалы (за исключением тех, которые основаны на углероде) это, в основном, информационные процессоры и трансдюсеры,
включая сенсоры, которые являются темой обсуждения в гл. 7. Стратегия их изготовления рассмотрена в гл. 8, посвященной трем фундаментальным методам, используемым в производстве в рамках наношкалы,
а именно top–down методы, используемые в ультрапрецизионных технологиях и в промышленности полупроводников, затем подход, известный
под названием bottom-to-bottom, который близок к оригинальной концепции нанотехнологии (молекулярный ассемблер) и, наконец, методы
bottom–up (самосборка), которые были в значительной степени инспирированы процессами в живом мире. Проблемы отбора материалов, конструирования и близкие к ним обсуждаются в гл. 10, особенно с учетом
тех фактов, что в наносистеме присутствует громадное число компонентов и при этом неизбежно наличие среди этого множества элементов,
имеющих дефекты. Глава 11 посвящена бионанотехнологии, определяемой как включение биомолекул в наноустройства. Последняя глава (12)
рассматривает различные виды воздействий нанотехнологий — технические, экономические, социальные, психологические и этические. Каждая глава снабжена в конце краткими выводами и списком дополнительных источников. В конце книги прилагается словарь нанотехнологических неологизмов, а также список наиболее употребительных
сокращений.

Предисловие автора
11

Ожидается, что главными читателями книги будут инженеры и научные работники, работавшие ранее в других отраслях и оказавшиеся
в сфере нанотехнологий. Естественно, они хотели бы быстро добиться
понимания терминологии, имеющихся возможностей и ограничений.
К другим потенциальным читателям относятся те, кому любопытно
просто узнать больше о нанотехнологии, включая сюда студентов и
профессионалов в других областях. Книга также обращена и к тем, кто
не связан непосредственно с промышленностью и наукой, например, работникам страхового бизнеса или юристам, но чья деятельность, вполне
вероятно, будет связана в будущем с нанотехнологией. Сюда относятся
также представители торгового бизнеса, биржевые брокеры, а также
предприниматели, не вполне удовлетворенные тем вниманием, которое
оказывается технологиям, в которых они работают.
Одной из отличительных особенностей нанотехнологии является то,
что многие ее возможности имеют мало общего с современными работами в области химии, физической химии, физики и биологии. Представляется, что нанотехнология наиболее подходящим образом характеризуется в глобальном масштабе как позиция или менталитет, включающий в себя, прежде всего, как желание понять мир на атомном уровне,
так и возможность создавать необычные и полезные вещи, контролируя
процесс на этом уровне.
В отличие от науки на атомном уровне нанотехнологии, однако, во
всех случаях касаются еще и процессов, происходящих на макроскопическом уровне, чтобы полученные в конечном итоге результаты были бы
полезны человечеству. В силу этого свойства получаемых в результате
объектов также являются частью нанотехнологии.
Особенностью этой книги является объединяющая ее точка зрения,
что привлечение многих отдельных областей знания помогает созданию
новых технологий.
Нанотехнология неразрывно связана с выявлением качественного
отличия в поведении, когда количественное отличие, а именно, возрастающая малость, становится достаточно большим: это можно назвать
точкой зрения на нанотехнологию Хегелиана (Hegelian).
Автор предлагаемой книги находится в большом долгу перед многочисленными коллегами как в Кренфилде, так и по всему миру. Было
бы несправедливо упомянуть некоторых, не назвав всех, а последних
слишком много. Но я надеюсь, что их вклад будет адекватно отражен
в списках использованных источников.

Джереми Дж. Рамсден
Кренфилд
Май 2010

Г Л А В А
1

ЧТО ТАКОЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Нанотехнология стоит вне, а точнее выше привычного образа мышления, это способ понимания мира, корни которого можно
воспринимать только начиная с атомарного уровня. По существу, она
представляет собой апофеоз стремления человека понять мир и использовать это понимание в практических целях. Хорошо укладываемая в синоним «технология на атомарном уровне», она может быть
представлена вкратце картиной cтроительства «нашего земного дома»
атом-за-атомом с контролируемыми архитектурой, композицией, а отсюда и физическими свойствами, причем с атомарным разрешением.
«Непоколебимые» нанотехнологи предсказывают такой будущий мир,
в котором каждый предмет материальной культуры (и даже пища) могут быть сконструированы атом за атомом из такого сырья, как ацетилен. При этом потребуются только энергия и инструкция.
Более прагматичный взгляд допускает, что имеется много промежуточных стадий, в которых частично изготовленные с атомарной точностью конструкции могут улучшить существующие предметы материальной культуры и порождать новые. Подобным же образом твердой
целью «непоколебимых» нанотехнологов является создание производительных наносистем (ПН), работающих с атомарной точностью — так
называемые ассемблеры в пределах наношкалы, которые выполняли бы
инструкции и создавали все, в чем мы нуждаемся. Более прагматичные
взгяды допускают, что так как, в принципе, все может быть воспроизведено, а многое может быть симитировано путем сборки атом-заатомом, во многих случаях улучшение свойств или состояния было бы
незначительным, а гибридный подход был бы наилучшим выходом для
человечества.

1.1. Определения и общие представления
13

В этой главе вначале мы рассмотрим основные определения в области нанотехнологии, а также, в общих чертах, концепцию системы
(онтологию) всей отрасли. Есть возможность также наглядного представления нанотехнологии согласно тому, что было уже сказано в общих чертах, с дополнительным рассмотрением перспективного развития в будущем. Дальнейший дополнительный материал для определения предоставляет история. Будет также коротко рассмотрен вопрос
об отношении нанотехнологии с биологией, которая является убедительным примером для инженеров, что нанотехнология возможна —
нанобиотехнология и бионанотехнология составляют предмет обсуждения в последующих главах (главы 4 и 11 соответственно). В параграфе
«Почему нанотехнология?» обсуждены побудительные причины развития нанотехнологии. В прилагаемом списке уделено также внимание
связанным с нанотехнологией неологизмам (см. приложение, с. 320).

1.1.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

1.1.1.
Общепринятые определения

Самое простое определение нанотехнологии — «технология в пределах наношкалы». В печати циркулируют различные определения, которые в большинстве случаев в принципе являются парафразой этого определения. Очевидно, это определение в отсутствие
последующих пояснений не вполне вразумительно с точки зрения понятия наношкалы. Более того, определения компонентов нанотехнологии,
таких, как «нановолокно», также связано с понятием наношкалы; действительно, каждое слово, начинающееся с «нано», которое мы можем
написать как «нано Х», может быть определено, как «наношкальное Х».
Следовательно, пока мы не определим, что такое «наношкала», мы
не сможем достаточно четко дать определение понятию «наношкала».
Рациональная попытка сделать это приведена в гл. 2. Здесь мы предварительно отметим, что наношкала включает в себя область размеров
от 1 до 100 нм. В принципе это компромисс без достаточно строгого
обоснования.
Немного длинным, но достаточно лаконичным определением нанотехнологии является следующее: «производство с атомарной точностью» или «атомарно точная технология» (АТТ). Однако это определение недостаточно полно, так как в нем отсутствуют аспекты «фундаментально новых свойств» или «новых» и «уникальных», которые
обычно присущи нанотехнологии. При этом из понятия нанотехнологии стремятся исключить существующие артефакты, которым случилось быть малыми. Эти аспекты учтены Декларацией национальной

Гл. 1. Что такое нанотехнология

нанотехнологической инициативы США, гласящей, что «сущностью
нанотехнологии является возможность работать на атомарном уровне,
атом-за-атомом, чтобы создавать большие структуры с фундаментально
новой молекулярной организацией...) нанотехнология имеет дело с
материалами и системами, чьи структуры и компоненты представляют
новые и значительно улучшенные физические, химические и биологические свойства, явления и процессы благодаря их размерам в пределах
наношкалы» [123].
Американский институт Форсайта дает следующее определение:
«Нанотехнология это группа развивающихся технологий, в которых
структура вещества контролируется в масштабах наношкалы с возможностью получения новых материалов и устройств, имеющих полезные
и уникальные свойства». Назначение нанотехнологии изложено следующим образом: «Проектирование, определение параметров, синтез
и применение материалов, устройств и систем, которые имеют в своей
функциональной организации хотя бы одно измерение в рамках наношкалы». Далее это подчеркивается с еще большим акцентом: «Нанотехнология имеет отношени к обработке материалов, в которых структура
с размерами менее 100 нм играет определяющую роль для получения
требуемых функциональных свойств» [36].
Во всех таких определениях подразумевается, что как и для любой
другой технологии, конечный результат должен иметь практическое
применение. Словарное определение нанотехнологии гласит: «Проектирование, определение параметров, производство и применение материалов, устройств и систем с контролем формы и размеров в наношкале» [1]. Другое определение из этого же словаря гласит: «Тщательно спланированные и контролируемые манипуляции, высокоточное размещение, измерение, моделирование и производство веществ в
рамках наношкалы для получения материалов, устройств и систем с
фундаментально новыми свойствами и функциями» [1]. Акцент на контроль особенно важен: это то, что отличает нанотехнологию от химии,
с которой ее часто сравнивают. В последней движение, в основном,
неконтролируемо и случайно: в условиях ограничений, имеющих место с потенциальной энергией поверхностных атомов и молекул. Для
того, чтобы достичь желаемого контроля, необходимо иметь специальное, неслучайное эутактическое окружение. Как практически достичь эутактического окружения атома в молекуле энергично обсуждается до сих пор. В итоге определение нанотехнологии, претендующее
быть наиболее всесторонним, гласит: «Применение научных знаний для
измерения, производства, моделирования, манипулирования отдельных
или входящих в целое материалов и компонентов в пределах наношкалы». Это определение подчеркивает идею о том, что нанотехнология

1.1. Определения и общие представления
15

рассматривается, как осуществление Стадии 4 в последовательности
технологических революций, характеризующих развитие человеческой
цивилизации (см. табл. 12.1).
В печати иногда обсуждается, что следует считать правильным —
«нанотехнология» или «нанотехнологии». Аргументов в пользу последнего варианта является то, что нанотехнология охватывает многие заметно отличающиеся виды технологий. Но это не должно служить
причиной, почему не следует употреблять слово «нанотехнология» в
коллективном смысле, так как различные виды технологий тем не менее
объединены одной целью — стремлением добиться контроля на атомарной шкале. Таким образом, следует признать оба термина легитимными. Если есть желание подчеркнуть различные области применения,
то в этом случае вполне подходит форма множественного числа. Форма единственного числа относится ко всему, имеющнму отношение к
идеологии или положениям этой технологии.

1.1.2.
К общим представлениям о нанотехнологии

Объекты сами по себе могут быть воспринимаемы или представляемы. Свойства какого-либо объекта (который в общем случае
может быть набором объектов) абстрагируются в его характеристиках. Наиболее важные характеристики (так называемые спецификации) обычно содержат отдельные категории (например, форма, цвет)
и объединяются в набор характеристик с образованием концепции;
вот так объекты абстрагируются в концепцию, в набор существенных
характеристик, которые все вместе с образованием концепции называются интенцией. Набор объектов, абстрагированных в концепцию,
называется экстенцией. Разграничивающие характеристики отделяют
одну концепцию от другой. Концепции описываются определениями и
представлены обозначениями. Набор обозначений представляет собой
терминологию. Концепции организуются в систему концепций. Систему
концепций часто называют онтологией (которую литературно называют
наукой о бытие), но позднее часто стали использовать в более ограниченном смысле, а именно тем, что изучает категории.
На рис. 1.1 показана (часть) онтологии для нанотехнологии. В правой части диаграммы помещены материальные объекты в порядке увеличения их сложности: материалы, устройства и системы. В левой части диаграммы показаны технологические процессы. Следует отметить взаимосвязь между метрологией и нанопроизводством, также называемом изготовлением с атомарной точностью (АТИ). Атомносиловой микроскоп используется при изучении свойств объектов и веществ в пределах наношкалы; каждый измерительный инструмент яв

Гл. 1. Что такое нанотехнология

ляется, естественно, и устройством, а толкание зондом — металлической иглой — нанообъекта является основой метода bottom-to-bottom
(см. разд. 8.3).

Рис. 1.1. Спецификация материалов, технологий и устройств (онтология) для
нанотехнологии. Б´ольшая часть терминов нормально должна бы писаться с приставкой «нано» (например, нанометрология, наноустройство). Штриховая линия просто показывает, что если участвует концепция более высокого уровня, то приставка должна указывать это
(например, бионаноустройство, бионаносистема). Биология также может вносить определенный вклад в нанопроизводство, особенно способствуя развитию процессов самосборки. На диаграмме не показано
то, что могло бы называться «концептуальной нанотехнологией», или
точнее (так так это само концепция), «виртуальная нанотехнология»,
которая означает (экспериментально и теоретически) тщательное исследование технологических (и других, включая биологические) процессов в пределах наношкалы для того, чтобы лучше понять их; это
образ мысли или позиция по отношению к нанотехнологии

Устройства могут характеризоваться природой их рабочей среды:
электронами, протонами и т. д. Однако многие устройства имеют дело
с более, чем одной средой: например, интенсивно исследуются, как
способ достижения электронного переключения, наноэлектро механические устройства; оптоэлектронный контроль является популярным
способом достижения фотонного переключения; методами фотохимия в