Моментом зародження нанотехнології називають знамениту лекцію з іронічною назвою «На дні повнісінько місця», що прочитав нобелівський лауреат Ричард Фейнман перед Американським фізичним суспільством в 1959 р. У цій лекції він міркував про те, як можуть виглядати самі крихітні машини відповідно до відомих нам законами фізики. Фейнман розумів, що розміри машин будуть ставати усе менше і менше, поки не наблизяться до розмірів атома, а потім для створення нових машин можна буде використати самі атоми. Він зробив висновок про те, що найпростіші атомні машини начебто блоку, важеля або колеса нічим не суперечать законам фізики, але виготовити їх буде надзвичайно важко.
Багато років нанотехнології животіли в забутті – просто тому, що технології того часу не дозволяли маніпулювати окремими атомами. Але в 1981 р. відбувся прорив – фізики Герд Бинниг і Генріх Рорер з лабораторії IBM у Цюріху винайшли скануючий тунельний мікроскоп, що пізніше приніс їм Нобелівську премію по фізиці.
Учені раптово одержали можливість одержувати разючі «картинки» окремих атомів, об’єднаних у структури – у точності такі, які зображують звичайно в книгах по хімії; колись критики атомної теорії вважали це неможливим. Тепер можна було одержати чудові фотографії атомів, вибудуваних рядами в правильній структурі кристала або металу. Хімічні формули, за допомогою яких учені намагалися відбити складну структуру молекули, тепер можна було побачити неозброєним поглядом. Більше того, скануючий тунельний мікроскоп дав можливість маніпулювати окремими атомами. Першовідкривачі виклали з окремих атомів букви IBM, чим зробили в науковому світі дійсну сенсацію. Учені перестали бути сліпими у світі окремих атомів; вони одержали можливість бачити атоми і працювати з ними.
Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа простий. Подібно тому як грамофон сканує диск голкою, цей мікроскоп повільно проводить гострий щуп над досліджуваною речовиною. (Кінчик цього щупа такий гострий, що закінчується одиничним атомом.) Щуп несе на собі слабкий електричний заряд; з його кінця через досліджуваний матеріал до провідної поверхні під ним тече електричне токовище, При проходженні щупа над кожним окремим атомом токовище злегка міняється; зміни токовища ретельно реєструються. Підйоми і падіння токовища при проходженні голки над атомом дуже точно і детально відбивають його обриси. Обробивши і представивши в графічній формі дані про флуктуації токовища за велику кількість проходів, можна одержати гарну картинку окремих атомів, що утворять просторові ґрати.
Сканирующий тунельний мікроскоп може існувати завдяки одному дивному закону квантової фізики. Звичайно електрони не мають достатню енергію, щоб пройти з кінчика щупа до підкладки через шар речовини. Але існує – відповідно до принципу невизначеності – невелика ймовірність того, що електрони «туннелірують», тобто проникнуть через бар’єр, хоча це і суперечить ньютонівській теорії. Саме тому токовище, що проходить через матеріал, так чутливий до тонких квантових ефектів у ньому.
Крім того, щуп мікроскопа досить чутливий, щоб пересувати окремі атоми і споруджувати з них найпростіші «машини». У даний момент ця технологія настільки розвинена, що можна бачити групу атомів на екрані комп’ютера і простим рухом курсору пересувати окремі атоми довільним образом. Можна маніпулювати десятками атомів так само легко, як цеглинками конструктора «Лего». Можна не тільки викладати з атомів букви, але і створювати іграшки, такі як, наприклад, рахівниця, де кісточки зібрані з одиничних атомів. Для цього атоми розкладають на поверхностю, постаченої вертикальними пазами. У пази вставляють сферичні фуллерени («футбольні мячики», складені з окремих атомів вуглецю). Ці вуглецеві кульки і служать кісточками атомних рахунків, рухаючись нагору і униз по своїх пазах.
Можна також вирізати атомні пристрої за допомогою електронних променів. Приміром, учені з Корнеллского університету вирізали із кристалічного кремнію саму маленьку у світі гітару, розмір якої в 20 разів менше товщини людського волосся. Гітара має шість струн товщиною в сотню атомів кожна, які можна смикати за допомогою атомного силового мікроскопа. (При цьому гітара дійсно буде грати музику, але частоти, які вона робить, перебувають далеко за межами чутності людського вуха.)
У цей час практично всі «наномашини» являють собою всього лише іграшки. Більше складні машини з передачами і підшипниками ще тільки має бути створити. Але багато інженерів упевнені, що час реальних атомних роботів уже на підході. (У природі такі роботи існують. Одноклітинні організми здатні вільно плавати у воді завдяки рухам крихітних волосків. Але якщо розглянути уважно з’єднання між волоском і клітиною, стає зрозуміло, що саме атомна машина дозволяє волоску довільно рухатися у всіх напрямках. Тому один зі шляхів розвитку нанотехнологій – це копіювання природи, що освоїла виробництво атомних роботів мільярди років тому.)
Можливо вас зацікавить энциклопедия фильмов ужасов и фантастики.
