Фрагменты из монографии Ж.И. Алферова «России необходимы собственные нанотехнологии»

Нанотехнологии - что это такое, история развития

Несколько слов о том, что такое нанотехнологии. Нано — это значит миллиардная доля, нанометр — это миллиардная доля метра. Часто любят говорить о том, что вот предыдущие десятилетия проходили под знаком микро — микронные доли метра, микроэлектроника, микротехнологии. Можно сказать, вообще говоря, что прогресс человечества определялся в значительной степени развитием тех или иных производственных технологий. И поэтому у нас существовали каменный период, бронзовый и затем железный период. Время постиндустриальное, информационных технологий часто называют кремниевым периодом. Раньше мы говорили о том, что был век пара, электричества, век атомной энергии, а сейчас мы говорим о наноразмерах. Нанометр — миллиардная доля метра или 10 ангстрем, -это несколько постоянных решеток, несколько расстояний между атомами в кристаллах. Можно восхищаться древними греками, Демокритом, который предложил атомную структуру материи.

Атомы впервые стали видеть в электронных микроскопах. Природа строит все из атомов, и когда специалисты в лабораториях, в промышленности повторяли и развивали те или иные технологические направления, они, в общем, повторяли то, что делал Бог, природа. Можно сказать, что и клетки состоят из наномашины и из таких наномашин, наноустройств устроены и многочисленные живые организмы, и человек, и всё.

Нанотехнология, как технология, - когда мы сами укладываем атом к атому и создаем принципиально новые устройства. Объекты нанотехнологий могут быть трех типов: наночастицы, величина которых по всем трем измерениям не превышает 100 нм; нановолокна, нанотрубки и нанопроволоки, у которых только два размера меньше 100 нм, а третий может быть любым; наноплёнки, у которых только толщина менее 100 нм, а длина и ширина произвольна. Кроме того, к продукции нанотехнологии относят макрообъекты со структурой, созданной путем управляемого манипулирования атомами и молекулами.

Этому в общем на самом деле несколько десятилетий — 30-40 лет примерно и, в первую очередь, это стало развиваться в той области, которая называется полупроводниковыми гетероструктурами, за развитие которых я и получил Нобелевскую премию в 2000 году. И здесь был принципиально целый ряд очень важных открытий. Один мой коллега и близкий друг, тоже нобелевский лауреат, Лио Исаки, японский ученый (он тоже много занимался гетероструктурами) как-то сказал замечательные слова, что вот наши кристаллы, гетеростуктуры, это новый вид кристаллов, которые можно назвать men made crystals . Человек, укладывая атом к атому по новым законам, создает кристаллы, материю, которых нет в природе.

И в целом можно сказать, что нанотехнологии, наноиндустрия, наноматериалы — это тот класс материалов, когда принципиально новые возникающие свойства проистекают из тех или иных физических явлений, которые появляются только вследствие малых размеров, изменения структуры материала, не имеющих аналогов в природе. В полупроводниках, в полупроводниковых гетероструктурах появились так называемые квантовые проволоки, квантовые ямы, квантовые точки.

Группа наших сотрудников несколько лет назад получила государственную премию Российской Федерации за исследование и создание структур с квантовыми точками. Эти работы получили и широкое мировое признание, мои ученики (Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов) стали членами-корреспондентами Российской академии наук, получили целый ряд международных премий.

Впервые о нанотехнологиях, выступая в палате представителей США, заявил профессор университета Райса, нобелевский лауреат Ричард Смолли. На самом деле он имел в виду естественную логику развития науки, но намеренно обратил внимание чиновников на этот термин, поскольку, как и все ученые, искал ассигнований на исследования. Он попал в точку и обеспечил будущее, где-то безбедное, а где-то достойное, ученым всего мира. Поскольку нанотехнологии стали idea fix правительств большинства развитых стран.

За нанотехнологиями, или кванторазмерными технологиями, несомненно, будущее. И это не обсуждается. И очень хорошо, что наш президент это понимает.

Действительно, это появление принципиально новых возможностей, но наука развивается постепенно, и те изменения, которые происходят революционным образом, появляются на определенных этапах. В области нанотехнологии, наноиндустрии, можно, например, назвать средства диагностики - электронную микроскопию (она была отмечена Нобелевской премией), - это глаз, который видит атомы, а палец, который чувствует их - это туннельная сканирующая микроскопия (швейцарские физики Бинден и Керор получили Нобелевскую премию в 1986 г. за создание туннельных микроскопов).

Примером принципиально новых физических явлений, которые происходят в квантовых гетерострутктурах, является и дробный квантовый Холл-эффект (Нобелевская премия 1998 г.), когда в результате исследований в квантовых ямах было показано, что коллектив электронов — это принципиально новый коллектив, который можно описать, предположив дробный заряд электронов.

Наконец, то, за что была получена Нобелевская премия мной, это полупроводниковые гетероструктуры, периодические гетероструктуры (их предложил в свое время академик Келдыш) гетероструктуры, на основе которых создана масса новых материалов. Сегодня мы умеем специально с помощью технологических методов, которые развиваем уже многие десятилетия буквально укладывать атом к атому и создавать новые материалы и приборы. Например, квантовая точка — это искусственный атом, создаваемый нами в лаборатории, свойствами которого мы можем управлять. На основе нанотехнологий появляется огромное количество принципиально новых приборов в электронике, мы стали говорить о наноэлектронике вместо микроэлектроники, в биотехнологий о новых свойствах материалов и многом другом.

Следует подеркнуть, что сравнение между атомным проектом и программой нанотехнологии не совсем павомерно, потому что атомный проект появился и в Америке, и у нас с вполне определенной целью -для создания атомной бомбы. Ее было необходимо создать, потому что иначе все результаты Второй Мировой войны могли быть ревизованы бы, и мы бы утеряли все преимущества, за которые были заплачены такие огромные жертвы.

Что касается нанотехнологии, то это нормальное развитие научных исследований. Здесь, вообще говоря, нельзя рассчитывать на то, что все сразу изменится, нужно заниматься исследованиями в данном направлении, и мы ими занимаемся - в нашей и в других лабораториях.

В нашей стране такие работы ведутся успешно, например, в Сибирском институте полупроводников РАН, в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке, в нашем Физико-техническом институте РАН, в научно-образовательном центре, который работает у нас в Санкт-Петербурге и во многих других лабораториях и центрах. Уровень этих исследований во многих наших группах соответствует лучшему мировому уровню.