Открыватель углеродных нанотрубок Сумио Ииджима
На электронных микрофотографиях (рис. 2), полученных с трансмиссионного электронного микроскопа с высоким разрешением, были обнаружены цилиндрические молекулы с пятью (а), двумя (b) и семью (c) концентрическими стенками.
Первые синтезированные нанотрубки были многослойными, и сразу возникла задача синтеза однослойных углеродных нанотрубок. В результате исследований С. Ииджимой было установлено, что добавление небольшого количества порошка катализатора (кобальта, никеля или железа) в графитовые электроды обеспечивает образование однослойных нанотрубок. Металлическая добавка является катализатором, предотвращающим образование фуллеренов и многослойных нанотрубок. При этом наличие катализатора также обеспечивает снижение температуры синтеза, в результате температура вольтовой дуги не превышает температуры, при которой спекаются нанотрубки.
Рис. 2. Первые электронно-микроскопические изображения многослойных коаксиальных углеродных нанотрубок с различным числом концентрических стенок: а — пять; b — две; с — семь
В 1992 году в природном углеродном минерале шунгите были обнаружены природные фуллерены. В дальнейшем различные наночастицы и наноструктуры находили в таких природных материалах, как лед и метеориты, и даже на поверхностях обшивки орбитальных станций. Многослойные фуллерены могут присутствовать и во многих технологических углеродных материалах, например саже.
В 1993 году С. Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichihashi) в Японии, а также Дональд Бетьюн (Donald Stimson Bethune) с коллегами в Альмаденском научно-исследовательском центре компании IBM (IBM Almaden Research Centre, Калифорния) практически одновременно открыли одностенные (однослойные) углеродные нанотрубки.
К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие десять лет (1998–2008 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.
В 1998 году Роберт Лафлин (Robert Betts Laughlin), Хорст Штермер (Horst Ludwig Stormer) и Дэниел Цуи (Daniel Chee Tsui) были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, при котором в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.
Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер (Siz Dekker) создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось впервые измерить электрическую проводимость такой молекулы.
В этом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.
Еще через год (в 1999 году) американские ученые — физик Марк Рид (Mark Reed, Йельский университет) и химик Джеймс Тур (James Tour, Университет Райс) — разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.
В 2000 году немецкий физик Франц Гиссибл (Franz Giessibl) разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле (Robert Magerle) предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.
В 2001 году Нобелевской премии по физике были удостоены американцы Эрик Корнелл (Eric Allin Cornell), Карл Виман (Carl Wieman) и немец Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) за получение конденсата Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этого конденсата.
Фактически можно с определенной степенью допущения говорить о получении и исследовании (дополнительно к твердому телу, жидкости, газу и плазме) пятого агрегатного состояния вещества.
Новое состояние вещества назвали в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (Satyendra Nath Bose) и А. Эйнштейна, которые еще в 1924 году теоретически предсказали такую возможность при охлаждении атомов до температур, очень близких к абсолютному нулю (о К, или -273,15 °C).
Особенность нового агрегатного состояния состоит в том, что все атомы вещества находятся в одном и том же энергетическом состоянии (имеют одинаковые квантовые характеристики), поэтому объем вещества можно считать одним «сверхатомом» с потенциально уникальными свойствами, способными внести значительный вклад в развитие нанотехнологий.
Уже появляются сообщения о получении еще одного (шестого) состояния вещества — фермионного конденсата (fermionic condensate).
В ноябре 2003 года группа физиков под руководством Деборы Джин (Deborah S. Jin) из объединенной лаборатории JILA Национального института стандартов и технологии Министерства торговли США (Department of Commerce’s National Institute of Standards and Technology, NIST) и Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado at Boulder, CU-Boulder) (совместно с группой исследователей из Австрии под руководством Рудольфа Гримма (Rudolf Grimm) из Университета Инсбрука) для получения фермионов охладила газ из 500 тысяч атомов калия-40 до температуры, отличающейся от абсолютному нуля всего на 300 нанокельвинов (0,0000003 К).
Воздействуя на фермионный конденсат резонансным магнитным полем, удалось изменить природу взаимодействий между атомами — вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. Это позволило ученым перевести атомы в предшествующее состояние — конденсат Бозе-Эйнштейна (бозонные молекулы).
По мнению ученых, практическое применение фермионов в чистом виде, конечно, невозможно, но их изучение может пролить свет на механизмы явлений сверхпроводимости и сверхтекучести. В перспективе, базируясь на полученных результатах исследований, теоретически возможна разработка сверхпровод-никовых материалов, работающих при нормальных температурах.
При этом следует отметить, что почти ежегодно появляются сообщения об открытии новых форм материи. Это и уже упомянутые конденсаты, и кварк-глюонновая плазма, и материя нейтронных звезд, а также «супертвердое тело».
Впрочем, пока речь идет о чисто фундаментальных исследованиях (в большинстве своем чисто теоретического плана) возможного взаимного превращения вещества из одного агрегатного состояния в другое и наоборот, а не реально полученного количества коммерчески доступного вещества.
В 2003 году профессор Фенг Лю (Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссибла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов, анализируя их возмущение при движении вокруг ядра.
В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.
В 2007 году нобелевским лауреатом стал немецкий ученый Герхард Эртль (Gerhard Ertl), который удостоился премии за исследования химических процессов, происходящих на твердых поверхностях. На основе работы Эртля созданы технологии, применяемые в двигателях внутреннего сгорания, для производства полупроводников компьютерной техники и т. п., которые можно отнести к наноинженерии поверхности.
Нобелевской премии 2008 года по химии удостоились американцы Осаму Симомура (Osamu Shimomura), Мартин Чалфи (Martin Chalfie) и Роджер Цянь (Roger Tsien) за создание и разработку различных форм зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP).
Это явление впервые было обнаружено у медузы Aequorea victoria в 1962 году. В настоящее время на основе GFP созданы другие белки, светящиеся различными цветами. Полученные результаты исследований могут быть применены в нанотехнологических разработках по созданию нового типа мониторов, телевизоров различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.
На соискание Нобелевской премии по физике 2008 года выдвигался японский исследователь углеродных нанотрубок С. Ииджима, но Нобелевский комитет пока в полной мере не оценил важность его научных достижений. Возможно, награда еще ждет своего героя, как и других исследователей в области нанотехнологий и наноматериалов.
Нобелевская премия по физике 2009 года разделена на две части. Половину премии получил китаец Чарльз Као (Charles Kao), сотрудник британской исследовательской лаборатории города Харлоу (Standard Telecommunication Laboratories) и одновременно проректор университета Гонконга, «За выдающиеся достижения, касающиеся распространения света в волокнах оптических линий связи». Вторую половину разделили сотрудники американской лаборатории Белла (AT&T Bell Labs) Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) «За изобретение светочувствительных полупроводниковых схем — ПЗС-матриц», которые в настоящее время уже широко применяются в большинстве цифровых видеокамер, сканеров, любительских фотоаппаратах и подобных приборах.
Именно У. Бойл и Д. Смит в 1969 году впервые изобрели ПЗС-матрицу (аббревиатура от словосочетания «прибор с зарядовой связью»), или CCD-матрицу (от англ. charge-coupled device, CCD), — специализированную аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных кремниевых фотодиодов.
Ученые занимались разработкой технологий видеотелефонии (picture phone) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Японская корпорация Sony одной из первых смогла наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.
В настоящее время ПЗС-матрицы выпускают и широко применяют в своей продукции многие известные мировые компании: Canon, Kodak, Matsushita, Nikon, Sony, Fuji, Philips и др.
На основании этого следует заметить, что в ближайшие годы все Нобелевские премии по физике, а также частично по химии и биологии будут присуждаться за исследования и прикладные разработки, так или иначе связанные с нанотехнологическим направлением в науке и технике. Более того, еще раз необходимо подчеркнуть, что предпочтение будет отдаваться исследованиям, которые не просто находятся на стадии лабораторного образца, но уже нашли практическое применение и успешно продаются и применяются в повседневной практике.