Олимпийские чемпионы достигают немыслимых результатов. Фокусники делают невозможное возможным. Кинематографисты с помощью спецэффектов демонстрируют невероятные трюки. Стоит ли доверять глазам? Ученые и инженеры доверяют увиденному своими глазами только после многократных и тщательных проверок. Всему (от движения планет до изменения хромосом летучей мыши) можно поверить, если понять, как это происходит.

Рис. 1. Самая длинная модель нанотрубки, которая занесена в Книгу рекордов Гиннесса
vsegda-li-sleduet-verit-1

В настоящее время технологии развиваются так стремительно, что микроскопический масштаб уже не является пределом. Создание микроскопических механизмов было существенным достижением более 30 лет назад, а сейчас этим никого не удивишь. Невидимые миры, которые можно было только мысленно представлять в прошлом, теперь стали предметом интенсивных исследований с помощью сложных инструментов и динамически развивающихся технологий.

Нанотехнологии — это очень «крутая» область современной науки. Как исследования космоса и Интернет в недавнем прошлом, наномир захватил воображение современных школьников, студентов и ученых. Нанотехнологии теперь играют важную роль даже для финансистов, которые планируют свои инвестиции. Новые технологии обычно означают появление новых продуктов и способов получения доходов. Потому сегодня инвесторы и политики также интересуются открытиями в наномире.

Микро- и нано-
Совсем недавно микроскопические размеры считались самыми маленькими из известных человеку. Люди научились создавать микрофоны и микроскопы, исследовать микроорганизмы и микропроцессы. С каждым годом мобильные телефоны и микропроцессоры становятся все мощнее и меньше. Однако современная микроэлектроника почти достигла своего теоретического предела. Для достижения большей мощности и скорости вычислений необходимо переходить на совершенно новые технологии. Современные микропроцессоры стали такими крошечными и мощными, что во время работы могут перегреться и сгореть. Как же спасти положение?

Ответ прост: мир спасут нанотехнологии! Нанонаука занимается изучением чрезвычайно малого мира — мира атомов и молекул.

Нанометр (нм) — это одна миллиардная метра, то есть 10–9 м. Частицы считаются наночастицами, если одно из их измерений меньше 100 нм. Приставка «нано» означает «одна миллиардная часть».

В таблице 1 для сравнения приведено несколько примеров объектов разного размера. Обратите внимание: если представить себе, что золотая наноскорлупа (наночастица, которая подробно описывается в главе 6) имеет размер бильярдного шара, то рост человека можно приравнять к самой высокой вершине мира, Эвересту, то есть около 8848 м!

Таблица 2.1. Размеры некоторых объектов
vsegda-li-sleduet-verit-2
Молекула с количеством атомов от 2 до 25 обычно имеет радиус в диапазоне от 1 до 10 нм. По определению молекула имеет более одного атома. Наименьшей молекулой является молекула водорода — H2. Многие биологические молекулы, например ДНК, гораздо больше молекулы воды, поскольку содержат намного больше атомов.

Наночастица может содержать от 50 до 200 000 атомов, а потому ее размеры варьируются в пределах от нескольких нанометров до сотен нанометров. Бактерия имеет размер около 100 нм, а красное кровяное тельце — 6000 нм. Размер наименьшего элемента современной микросхемы — около 130 нм.

Новые технологии и методы манипулирования отдельными атомами, молекулами и наночастицами позволяют создавать или изменять структуру окружающих объектов — от раковых клеток до нанокомпьютеров. Все только выиграют от внедрения новых открытий в области нанотехнологий. Главное отличие наноинструментов (наноразмерных пинцетов, линз, магнитов и электрических схем) от обычных лабораторных приборов (например, мензурок и горелок Бунзена) — их размер или масштаб.

Самая большая в мире модель нанотрубки
Самые маленькие объекты, которые способен разглядеть человек, имеют размер около 10 000 нм (ширина дорожек на материнской плате компьютера). Никто не может разглядеть наночастицы или нанотрубки невооруженным глазом, без помощи сканирующего электронного микроскопа. Настолько малы они на самом деле!

Чтобы визуально представить столь крошечные объекты, более 100 сотрудников и студентов Университета Райс решили воспроизвести однослойную углеродную нанотрубку шириной 0,7 нм и длиной 700 нм в увеличенном виде.

22 апреля 2005 г. они с помощью 65 тыс. пластиковых деталей из химических наборов для моделирования структуры молекул создали самую крупную модель углеродной нанотрубки (рис. 1). Длина модели равнялась 1180 футам (более 350 м), то есть больше, чем высота самого высокого небоскреба в Хьюстоне (США). Таким образом, был установлен новый мировой рекорд для модели нанотрубки, занесенный в книгу рекордов Гиннесса. Если бы сотрудники и студенты Университета Райс создали полную модель нанотрубки, длина которой равна 5 см, она растянулась бы на 15 тыс. миль (более 24 тыс. км)!

Теперь не только студенты и ученые, но и все остальные поражаются тому, насколько крупными, то есть длинными, могут быть столь малые объекты! Кусочки этой модели можно увидеть в постоянной экспозиции в Музее естествознания Хьюстона.