История

В современной нанонауке и нанотехнологии достаточно глубокие исторические корни. Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита, приблизительно в 400 г. д. н. эры он впервые использовал слово "атом" (от греч "atomos" - "неделимый"), для описания самой малой частицы вещества.

Приведем некоторые исторические вехи основных фундаментальных открытий в развитии нанотехнологий, способствующих дальнейшему интенсивному становлению и развитию нанотехнологии и ее формированию как самостоятельной междисциплинарной отрасли современной науки и техники:

1905 –Выдающийся физик Альберт Эйнштейн (Нобелевская премия по физике, 1921) доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1928 –Г.А. Гамов, сотрудник Ленинградского технологического института, исследуя строение атомного ядра и явление радиоактивности, разработал основы теории туннельного переноса заряда.

1931 –Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска (Нобелевская премия по физике «За фундаментальные работы в электронной оптике и создание первого электронного микроскопа» за 1986 г.)  создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1932 – Знаменитый датский физик, лауреат Нобелевской премии (1922) Нильс Бор в своем Институте теоретической физики в Копенгагене прочитал перед своими учениками, в том числе будущими лауреатами Нобелевской премии по физике Львом Ландау и Вернером Гейзенбергом, лекцию "Свет и жизнь". В этой лекции Бор говорит, что в конечном счете исследования покажут, что жизнь сводится к "элементарным актам" квантовой физики.

1934 –Венгерский математик Джон фон Нейман в статье "Логика квантовой механики" первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики, где излагается логическое исчисление со значениями истинности, непрерывно распределёнными от нуля до единицы.

1934 –Венгерский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1963) Юджин Вигнер теоретически обосновал возможность создания ультрадисперсного металла с достаточно малым числом электронов проводимости.

1943 –Появилась работа нейропсихолога Уоррена Маккалока и математика Уолтера Питтса "Логическое исчисление идей, относящееся к нервной деятельности". В ней сформулированы основные принципы построения искусственных нейронов и нейронных сетей.

1951 –Джон фон Нейман выделил принципы самокопирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность.

1953 –Английский биолог, врач и нейробиолог Френсис Крик, совместно с американскими биологами Джеймсом Д. Уотсоном и Морисом Х. Ф. Уилкинсом (Нобелевские лауреаты по физиологии и медицине, 1962) открыли структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой.

1958 –Известный американский учёный в области психологии, нейрофизиологии и искусственного интеллекта Фрэнк Розенблатт разработал модель перцептрона (от perception - восприятие). Его обучение требовало около получаса машинного времени на одной из самых мощных в то время ЭВМ IBM-704.

1959 –Американский физик-теоретик Ричард Фейнман (Нобелевская премия по физике, 1965) впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте [7]. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Но тогда еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами. Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в одну тысячу долларов, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что осуществилось уже в 1964 году.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления – это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют.

1961 –Мысль о существовании обратимых операций высказал впервые Р. Ландауэр. Позже в 1982 году специалист в области квантовых вычислений Ч. Беннет теоретически показал, что универсальный компьютер может быть основан на обратимых операциях так, чтобы энергия при вычислениях не тратилась. Дело в том, что именно квантовые элементы могут позволить создать компьютер на обратимых операциях.

1966 –Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) предложил идею пьезодвигателей, которые ныне обеспечивают позиционирование и перемещение подложки под острием туннельного зонда сканирующего туннельного микроскопа и нанотехнологического оборудования с точностью до 0,1 - 0,01 Ангстрем.

1968 –Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

1970 –Открытие русским химиком Алексеем Михайловичем Сладковым и сотрудниками его лаборатории новой формы углерода - белого, сферообразного или "карбина" [10]. Открытие было признано в 1971 году (заявка и приоритет 1960 года). А в 1968 году американские ученые А. Эль Гореси и Г. Донней обнаружили белый углерод в образцах породы метеоритного кратера (ФРГ, Бавария).

1974 –Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона [11; 12].

1980 –Выдающийся русский математик Юрий Иванович Манин, указал на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эти же проблемы изучали американский физик П. Бенев, который раскрыл возможность квантовой системы производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.

1981 – Немецкий ученый Г. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура которых представлена кристаллитами наноразмерного интервала [13; 14; 15].

1981 –В Массачусетском технологическом институте защищена диссертация Эриком Дрекслером, посвященная молекулярной технологии.

1981 –Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы. Впервые такую долгожданную для физиков картину наблюдали создатели этого прибора, работавшие тогда в Цюрихе, в фирме IBM.

1982 –Немецкий физик Г. Бининг и швейцарский физик Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) (Нобелевская премия 1986).

1983 –Одна из первых отечественных работ по консолидированному нанокристаллическому никелю [16].

1985 –Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Кротто и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 –Ричард П. Фейнман из Калифорнийского технологического института заинтересовал научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа, который был назван квантовым.

1986 –Появился сканирующий атомно-силовой микроскоп (Atomic Force Microscope, AFM). В отличие от СТМ атомно-силовой микроскоп основан на контакте поверхности с подвижным зондом или балкой (кантилевером) и измерении отклонения зонда. Развитие техники СТМ и AFM привело к появлению большого ассортимента зондовых микроскопов – приборов, важнейших в арсенале нанотехники.

1986 –Нанотехнология стала известна широкой общественности. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу "Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1987-1988 –В Российском НИИ "Дельта" П.Н. Лускинович продемонстрировал в действии первую нанотехнологическую установку, где осуществлялась направленная термическая десорбция частиц с острия зонда. Усовершенствованные модели этой установки находятся в эксплуатации в России.

1989 –Сотрудник компании IBM Дональд Эйглер, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1989 –Стивен Беннер из Eidgenssisbe Technische Hochscbule в Цюрихе создал ДНК, содержащую кроме четырёх известных букв генетического алфавита ещё две (аминокислоты отличные от природных ).

1990 г –С помощью СТМ, произведённого фирмой IBM, были нарисованы три буквы (IBM) из 35 атомов ксенона на грани кристалла никеля. Этот эксперимент имел характер научной сенсации, поскольку присутствие или отсутствие на подложке постороннего атома можно в принципе интерпретировать как логический символ (TRUE или FALSE). Вместе с тем, эксперимент, проведённый в условиях глубокого вакуума при криогенной температуре, носил сугубо демонстрационный характер: все 35 атомов, будучи химически не связанными с подложкой, "убежали" со своих мест на никеле. Дальнейшие работы, проведённые, в том числе, и в России, уверенно подтвердили возможность валентного "закрепления" атомов на поверхностях, выполненных из различных материалов без какого-либо применения криогенной техники.

1991. (Хьюстон (США), химический факультет университета Райса). В своей лаборатории доктор Р. Смолли (лауреат Нобелевской премии за 1996 год) с помощью лазера испарял под вакуумом графит, газовая фаза которого состояла из достаточно крупных крастеров: в каждом по 60 атомов углерода. На публикацию об этом откликнулся английский ученый X. Кротто из Брайтона. Он посоветовал американцам обратить внимание на опубликованную статью сотрудников Института элементоорганических соединений, расчеты которых показывали, что кластер из 60 атомов более устойчив, так как имеет повышенную величину свободной энергии. X. Кротто предположил, что этот кластер – структурное образование похожее на футбольный мяч и предложил назвать эту молекулу фуллереном.

1991 – Сотрудник лаборатории фирмы NEC в Японии Сумио Идзима исследовал продукты, образующиеся при разряде вольтовой дуги в атмосфере нейтрального гелия, впервые обнаружил углеродные нанотрубки, которые ранее были предсказаны за несколько месяцев до этого российским физиком Л. Чернозатонским и американецем Дж. Минтмиром.

1994 –Питер Шор из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных компьютеров.

К середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки.

1995 – П.Шор, разработал схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок.

1995 –Под руководством профессора Л.И. Трахтенберга (Научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова) разработали на основе пленочного нанокомпозита датчик, выявляющий различные вещества в атмосфере (аммиак, спирт, водяной пар).

1996 –Коллега П. Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных – телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом).

1997 –Ричард Е.Смолли, Лауреат Нобелевской премии (1996) в области химии, профессор химии и физики Rice University предсказал сборку атомов уже к 2000 г. и к этому же времени спрогнозировал появление первых коммерческих наноизделий. Этот прогноз оправдался в предсказанный срок.

1998 –Были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров. Зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров были предсказаны на основе квантово-химических расчётов их зонной структуры.

1998 –Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1998 –В Калифорнийском университете Беркли создан первый в мире двухкубитный квантовый компьютер, в следующем году – трехкубитный образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а еще через год был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 5 кубит.

1998 –Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию XXI в. Их правительственное агентство MITI (Ministry of International Trade and Industry), как следует из отчёта НАСА, имеет десятилетнюю Правительственную программу нанотехнологических исследований с бюджетом 200 млн. долл., которая в 90-х гг. была наилучшей в мире. Принятая в 1998 году японская десятилетняя государственная программа "Astroboy" предусматривает создание наноразмерной элементной, приборной и системной базы электроники, способной работать в диапазоне температур от нескольких градусов Кельвина до 3000 градусов Цельсия в условиях, существующих на поверхности планет, в Космосе и при ядерных взрывах. Корпорация исследований (Research Development Corporation) совместно с MITI ведут дополнительно 6 программ объёмом 75 млн. долл. [17].

1999 –Группа исследователей из Корнелльского университета, возглавляемая Карло Монтеманьо, построила интегрированную биоНЭМС (НЭМС – наноэлектромеханическая система) – биомотор вращательного действия на основе энзима АТФазы.

1999 –Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также как молекулярные цепочки.

2000 –Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии – National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено 500 млн. долл. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до 604 млн. долл. На 2003 год "Инициатива" запрашивает 710 млн. долл.

2000 –Ф. Гиссибл (Германия) – разглядел в кремнии субатомные частицы.

Р. Магерле (Volkswagen) – идея нанотомографии – создание трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм.

2000 –Присудение Жоресу Ивановичу Алферову Нобелевской премии за работы в области полупроводниковых гетероструктур.

2000 –Исследовательская группа фирмы "Хьюлетт-Паккард" создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод. Через несколько месяцев объединенная группа Марка Рида и Джеймса Тура (из университетов Йеля и Раиса, США) продемонстрировала еще один класс молекул-переключателей.

2000 –Издательство Academic Press выпустило пятитомный справочник по наноструктурным материалам и нанотехнологии.

2000 –Начало эры гибридной наноэлектроники.

2001 –Получение конденсата Бозе-Эйнштейна (Нобелевская премия по физике, 2001). Речь идет об особом сверхконденсированном состоянии вещества, которое иногда именуется его "пятым" состоянием - наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным. Возможность перевода вещества в такое состояние путем охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю, была предсказана Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном еще в первой трети ХХ века.

2001 –Было объявлено о решении задачи по разбиению на множители с помощью алгоритма Шора – наиболее сложной вычислительной задачи, решенной с помощью квантового компьютера. Однако компьютеру удалось всего лишь найти множители числа 15 (3 и 5).

2001 –Корпорация "Интел" (Intel) произвела первый кремниевый транзистор с элементами величина которых составила 20 нанометров.

2002 – Голландский физик Сеез Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм [18].

2003 –Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твердотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. Финансируемая компанией NEC и японским Институтом физизических и химических исследований группа ученых продемонстрировала квантовый вентиль НЕ (CNOT). Кроме него, в квантовых компьютерах используется так называемый однокубитный ротационный вентиль, но такие вентили научились делать еще в 1999 г.

2003 –Рочестерский университет – объединение наномашин, создающих вогнутую линзу, которая управляет прохождением света с различной длиной волны для фотонных компьютеров. Нью-Йоркский университет – разработка наномашины в медицине по предотвращению образованию тромбов в кровеносной системе человека. Ф. Лью (университет Юты) – с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра. Калифорнийский Универ Беркли – создан транзистор из одиночной молекулы углерода-60. Молекула имеет форму полой сферы. Для выращивания триода были использованы два золотых электрода с промежутком между ними 1 нм. За раз триод пропускает один электрон.

2004 –Был презентован "первый в мире" квантовый компьютер исследователями Висконсинского Университета в Мэдисоне. Они заявили о создании первой в мире симуляции архитектуры квантового компьютера, в которой была использована кремниевая технология изготовления, применяющая горизонтальное и вертикальное тунелирование через двойные верхние и нижние ворота.

2004 – Группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Исследователями из корпорации IBM, Массачусетского технологического института, Калифорнийского и Оксфордского университетов был продемонстрирован простейший действующий квантовый компьютер, элементами которого служат атомы водорода и углерода в молекуле трихлорэтилена, а считывание результата осуществляется с помощью использования эффекта ядерного магнитного резонанса.

2004 –Администрация США поддержала "Национальную наномедицинскую инициативу" как часть National Nanotechnology Initiative.

2005 –знаменательная дата в истории устройств хранения данных. На выставке CeBit в Ганновере компания IBM представила работоспособный чип устройства квантового хранения данных – "Millipede" ("Многоножка").