Общие положения

ЧАСТЬ I. ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сегодня мир активно осваивает 6-й технологический уклад, в котором нанотехнологии играют основную роль, входя в технологический конгломерат НБИК (Нано-Био-Инфо-Когно). Его основу составляют нанотехнологии и наноматериалы, разработкой и использованием которых занимаются все страны, претендующие на позиции мировых лидеров. 
В данном разделе даны основные понятия и определения, используемые в современных областях наук, относящихся к нанотехнологиям и наноматериалам, представлены наиболее значимые вехи в истории развития нанотехнологий и их перспективы.

1.1. Основные понятия

Нанотехнология (nanotechnology) – это совокупность методов и средств, обеспечивающих создание структур с типичными размерами от единиц до сотен нанометров (1 нм = 10-9 м, = 10-6мм = 10-3мкм), а также материалов и функциональных систем на их основе 1.  Англоязычный термин «nanotechnology» был предложен японским профессором Норио Танигучи в 1974 г. и впервые использован им в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» 2 на Международной конференции.
Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры которых измеряются нанометрами. Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова, обозначающего «карлик». Реально наиболее ярко специфика наноразмерных объектов проявляется в области характерных размеров от атомных  (~0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов (электронные, оптические, магнитные, механические, тепловые, химические, каталитические и другие) могут радикально отличаться от свойств более крупных объектов из того же материала. Основная причина таких изменений лежит в существенно возрастающей роли квантовых эффектов при столь малых размерах. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями.
В “нано-” различают такие понятия как нанонаука, нанотехнологии и наноинженерия. Нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) схема на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии.

Среди других важных терминов с децимальной приставкой “нано-” отметим следующие (в алфавитном порядке):
нанокристалл, нанокристаллит, (nanocrystal) – кристалл нанометрового размера;
наноматериал (nanomaterial) – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
нанопечать (nanoimprinting) – литографическая технология создания наноразмерных элементов интегральных микросхем методом печати, различают чернильную нанопечать (inking) и нанопечать тиснением (embossing);
наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;
наноструктура (nanostructure) – ансамбль связанных атомов, имеющий, по крайней мере, в одном направлении размер от одного до сотен нанометров;
наночастица (nanoparticle) – частица с нанометровыми размерами (обычно от 1 до 100 нм), может содержать от десятка до 106 атомов, связанных вместе;
наноэлектроника (nanoelectronics) – область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты.
В нанотехнологиях различают два основных подхода, позволяющих формировать наноструктуры. Это технологии, реализующие принцип «сверху‑вниз», и технологии, построенные на принципе «снизу‑вверх». Принцип «сверху‑вниз» (top‑down approach) предполагает создание структур необходимой конфигурации и размера путем избирательного удаления материала, заранее нанесенного на подложку. Для этого используются традиционные для микроэлектроники методы осаждения пленок и формирования легированных слоев полупроводников в сочетании с литографическим созданием маски на профилируемой поверхности и последующим удалением материала в окнах маски путем травления. Обыденным примером технологии «снизу-вверх» является создание скульптуры из монолитной каменной глыбы отсечением «лишнего» материала.
Альтернативный принцип «снизу-вверх» (bottom‑up approach)  предполагает формирование требуемых структур путем селективного осаждения атомов и молекул на заданных участках поверхности подложки. Аналогично поступает художник, нанося определенные краски на определенные участки поверхности холста. 1.2. История развития нанонауки и нанотехнологий

Воссоздать точную историю возникновения нанотехнологий крайне сложно, поскольку  человечество всегда пыталось экспериментировать с технологиями получения материалов, порой даже не подозревая о проникновении в мир наночастиц. Так древние персы и египтяне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысячелетий назад. Подтверждением этому могут служить артефакты древнего мира, хранящиеся в музеях. Глазурь на гончарных изделиях, изготовленных в этот период, содержит наночастицы металлов,  которые и обеспечивают ее определенный цвет. В средние века с проникновением арабской культуры в Европу технология создания цветных глазурей и эмалей попала в Испанию, а затем и в Италию. В Британском музее в Лондоне хранится артефакт из Римской империи – кубок Ликурга (на стенах кубка изображены мифические сцены из жизни царя фракийцев Ликурга). Он изготовлен из стекла, содержащего частички серебра и золота размером около 70 нм. Его появление датируют четвертым веком нашей эры. Присутствие наночастиц серебра и золота приводит к оригинальному цветовому восприятию этого кубка. В отраженном свете он выглядит зеленым, а в прошедшем свете, когда световой поток направлен внутрь кубка – оранжево-красным.
Очевидно, что первые нанотехнологии и изготовленные с их использованием наноматериалы появились в результате случайных находок древних мастеров и ремесленников. Первые же системные исследования принадлежат М. Фарадею и датируются уже XIX веком.  Именно он впервые детально исследовал оптические свойства коллоидного золота – частиц золота с размерами в несколько нанометров в растворе, и показал возможности целенаправленного управления его цветовой гаммой 4.
XX‑ый век вписал наиболее впечатляющие страницы в книгу понимания природы. Он был озарен открытием и исследованием квантовых явлений, на основании которых в физике, химии, биологии, медицине и других естественных науках  сформировались концептуально новые научные направления. В этих направлениях получены не только новые фундаментальные знания о природе, но и созданы новые материалы и технологии, инструменты тонкого познания мира, элементы и системы обработки информации.
Революционным достижением квантовой теории стало положение о том, что свет испускается и поглощается дискретными порциями – квантами. Было установлено, что и кванты света, и  электроны могут вести себя и как частицы, и как волны одновременно. Такое поведение особенно ярко выражено в структурах, имеющих по крайней мере один из размеров в нанометровом диапазоне. Термин “наномир” появился в конце XX-го века как результат обобщения особенностей устройства, свойств и законов поведения наноразмерных структур. Наномир простирается от индивидуальных атомов и молекул до их ансамблей и наноструктур, чьи фундаментальные закономерности поведения контролируются квантово-волновой природой электронов и фотонов. Сегодня наномир имеет наиболее мощный потенциал для качественно новой ступени развития информационных систем и технологий в XXI-ом веке.
 Первопроходцы наномира и их открытия представлены ниже в хронологическом порядке их признания Нобелевским Комитетом 5. Нобелевские Премии выбраны в качестве зеркала, отражающего наиболее значимые научные достижения, хотя более полный исторический обзор безусловно требует расширения и списка имен, и списка обнаруженных явлений.
1902 (физика): Х. А. Лорентц (Лейденский Университет, Нидерланды) и П. Зееман (Амстердамский Университет, Нидерланды) – за исследования по влиянию магнетизма на радиационные явления.
Исследуя механизмы излучения света носителями заряда, Х. А. Лорентц одним из первых применил уравнения Максвелла к носителям заряда в твердом теле. Его теория могла быть также применена к излучению, связанному с колебаниями в атомах.
 В 1896-1897 гг. П. Зееман, исследуя возможное влияние электрических и магнитных полей на свет, открыл, что спектральные линии натрия в пламени распадаются на несколько компонент, когда прикладывается сильное магнитное поле 6. Позже было показано, что причиной этого является расщепление энергетических уровней для электронов в магнитных полях, связанное с наличием у электронов собственного магнитного момента – спина. Это явление получило название «Эффект Зеемана». Величина расщепления линейно увеличивается с возрастанием индукции магнитного поля B, а именно ΔE = gμBB , где g –  g-фактор для электрона, μB– магнетон Бора.
1906 (физика): Сэр Дж. Дж. Томсон (Кэмбриджский Университет, Великобритания) – за теоретические и экспериментальные исследования электрической проводимости газов. 
В 1897 г. Дж. Дж. Томсон, работая с лучами, исходящими из катода в частично откачанной разрядной трубке, впервые идентифицировал носители электрического заряда 7. Он показал, что эти лучи состоят из дискретных частиц, которые позже назвали электронами. Им была измерена величина отношения между массой этой частицы и массой однократно заряженного иона, что показало существенную “легкость” частиц, обеспечивающих протекание электрического тока. Вскоре легкие отрицательно заряженные частицы наряду с тяжелыми положительно заряженными ядрами стали рассматривать как составные части любого атома. 
1913 (физика): Х. Камерлинг-Оннес (Лейденский Университет, Нидерланды) – за исследования свойств вещества при низких температурах, которые попутно привели к получению жидкого гелия.
В 1911 г. Х. Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость. Он обнаружил, что электрическое сопротивление ртути уменьшается в миллионы раз при охлаждении ниже некоторой критической температуры, которая для этого металла составила около 4 К 8.
1918 (физика): М. К. Э. Л. Планк (Берлинский Университет, Германия) – за заслуги в развитии Физики, связанные с открытием квантования энергии.
В декабре 1900 г. М. Планк представил Немецкому физическому обществу свой доклад, в котором выдвинул принципиально новую идею о том, что свет может излучаться только квантами, то есть порциями с определенной энергией 9. Энергия кванта равна константе, умноженной на частоту колебаний соответствующей световой волны: для коротких длин волн она больше, чем для длинных.  Декабрь 1900 г. Ознаменовал рождение квантовой физики.
 1919 (физика): Дж. Старк (Грейфсвальдский Университет, Германия) – за открытие эффекта Доплера в канальных лучах и расщепления спектральных линий в электрическом поле.
Дж. Старк продемонстрировал прямое влияние электрических полей на эмиссию света, пропуская потоки атомов или молекул через сильные электрические поля 10. Он наблюдал сложное расщепление спектральных линий и Доплеровский сдвиг в зависимости от скорости атомов и молекул.
1921 (физика): А. Эйнштейн (Институт физики кайзера Вильгельма – сегодня Институт Макса Планка, Берлин, Германия) – за вклад в Теоретическую Физику, и в особенности за установление закономерностей фотоэлектрического эффекта.
В 1904-1905 гг. А. Эйнштейн интерпретировал фотоэлектрический эффект, который был впервые обнаружен Герцем в 1987 г., и развил теорию излучения абсолютно черного тела Планка в квантовом представлении 11. В 1905 г. Он представил свою специальную теорию относительности, которая давала соотношение между массой и энергией. Им так же был сделан важный вклад в квантовую теорию теплоты образования твердых тел (1907) и в теорию энергетических флуктуаций (1909).
1922 (физика): Н. Х. Д. Бор (Копенгагенский Университет, Дания) – за исследование структуры атомов и испускаемого ими излучения. 
В 1913 г. Н. Бор разработал планетарную модель атома, согласно которой электрон вращается вокруг атомного ядра 12. Позже – в 1914-1915 гг., он обнаружил, что строгость расположения спектральные линии излучаемого атомами света может быть объяснена вращением электронов на стационарных орбитах, характеризуемых определенным квантованным угловым моментом, и что длина волны излучаемого атомами света определяется разностью квантованных энергетических состояний электронов в атоме 13.
 1923 (физика): Р. А. Милликан (Калифорнийский институт технологии, Пасадена, США) – за работы по элементарному заряду электричества и фотоэлектрическому эффекту.
В 1912 г. Р. А. Милликан выполнил первые прецизионные измерения заряда электрона 14 и развил далее квантовое описание фотоэлектрического эффекта 15.
1926 (физика): Ж. Б. Перан  (Университет Сорбонна, Париж, Франция) – за работы по непрерывной структуре вещества и открытие седиментационного равновесия.
Известность ему принесли результаты исследования коллоидных систем и Броуновского движения. Он показал, что поведение частиц в коллоидных системах подчиняется тем же закономерностям, что и поведение частиц в газах 16. Эти результаты приложены им к эмульсиям, что позволило описать седиментационные процессы в них и доказывало непрерывность структуры вещества.
1929 (физика): Принц Л. В. П. Р. де Бройль (Университет Сорбонна, Институт Энри Пуанкаре, Париж, Франция) – за открытие волновой природы электрона.
В 1923 г. Л. де Бройль предположил, что материальные частицы могут иметь волновые свойства, а электромагнитное излучение в форме фотонов – корпускулярные свойства 17. Он развил математический подход, описывающий такой дуализм, и ввел понятие длины волны движущейся частицы, которое в последствии получило название длины волны де Бройля.
1930 (физика): Сэр Ч. В. Раман (Университет Калькутты, Индия) – за работы по рассеянию света и открытие эффекта, получившего его имя.
В 1928 г. Ч. Раман обнаружил, что рассеянный молекулами свет содержит компоненты с частотами, отличающимися от частоты падающего монохроматического излучения 18. Им показано, что изменение частоты происходит на определенную величину, определяемую изменением вращательного или колебательного движения молекул. Этот же эффект независимо от Ч. Рамана наблюдался советскими физиками Г. Ландсбергом и Л. Мандельштамом в Ленинграде 19. Рамановская спектроскопия вскоре после обнаружения и исследования эффекта стала важным источником информации о структуре и динамике молекул.
1932 (физика): В. К. Гейзенберг (Лейпцигский Университет, Германия) – за создание квантовой механики, применение которой наряду с прочим привело к открытию аллотропных форм водорода.
В конце 1920-х годов В. Гейзенберг предложил математически новый подход в квантовой механике, который был назван матричная механика. Он пришел к заключению, что существует естественное ограничение на точность одновременного измерения некоторых свойств – соотношение неопределенности Гейзенберга 20.
1932 (химия): И. Лэнгмюр (Компания Дженерал Электрик, Щенектеди, США) – за открытия и исследования в области химии поверхности.
В 1916-1918 гг. И. Лэнгмюр обнаружил важность химических процессов на границе двух фаз (на пример на межфазной границе твердого тела и жидкости) 21 и показал, что явления на таких границах имеют важные применения во многих областях – от техники до физиологии. Он был первым ученым из промышленности, удостоенным Нобелевской Премии.
1933 (физика): Э. Шредингер (Берлинский Университет) и П. А. М. Дирак (Кэмбриджский Университет, Великобритания) – за создание новой теории атома.
В 1926 г. Э. Шредингер развил волновые идеи де Бройля в квантовой механике и создал волновую механику 22. В 1925-1926 гг. П. Дирак предложил формализм 23 [18], учитывающий специальную теорию относительности А. Эйнштейна. Он показал, что электрон имеет собственный магнитный момент, связанный с его вращением вокруг собственной оси, что проявляется в тонкой структуре атомных спектров. Им также предсказано существование абсолютно новых в то время частиц – античастиц, которые имеют такую же массу, что и основные частицы, но противоположный заряд. Первая античастица для электрона была обнаружена в 1932 г. С. Д. Андерсоном и получила название позитрон. (За это открытие С. Д. Андерсон получил Нобелевскую Премию по физике в 1936 г.)
1936 (химия): П. Дж. В. Дебай (Берлинский Университет, Германия) – за вклад в познание структуры молекул посредством их дипольного момента и дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах.
В 1916-1923 г. П. Дебай использовал дифракцию электронов и измерения дипольного момента для получения информации о структуре вещества 24. Им обнаружены дипольные моменты в молекулах с неравномерным распределением зарядов.
1937 (физика): С. Дж. Дэвиссон (Белл Телефон Лабораториз, Нью Йорк, США) и Дж. П. Томсон (Лондонский Университет, Великобритания) – за экспериментальное открытие дифракции электронов кристаллами.
В 1923 г. С. Дэвиссон и С. Кунсман обнаружили, что электроны могут отражаться от кристаллов как волны 25, подтверждая тем самым волновую теорию Л. де Бройля. Позже – в 1927, Дж. П. Томсон (сын Дж. Дж. Томсона) и А. Рид выполнили более точные эксперименты с высокоэнергетическими электронами, внедряемыми в металлические фольги, и уверенно подтвердили существование дифракции электронов 26.
1938 (физика): Э. Ферми (Римский Университет, Италия) – за подтверждение существования новых радиоактивных элементов, образуемых нейтронным облучением и за открытие ядерных реакций, инициируемых медленными нейтронами.
Среди известных работ Э. Ферми его квантовая статистика электронов 27, предложенная в 1926 г., является наиболее значимым вкладом в познание наномира.
1944 (физика): И. И. Раби (Колумбийский университет, США) – за предложенный им метод регистрации магнитных свойств ядер атомов.
И. И. Раби провёл исследования посвященные магнетизму, ядерной физике, спектроскопии молекулярных пучков, квантовой механике. Разработал метод магнитного резонанса в молекулярных пучках для определения ядерных моментов  и осуществил в 1939 г. прецизионные измерения магнитных моментов протона и дейтрона, сверхтонкой структуры спектров, обнаружил квадрупольный момент у дейтрона. Своими исследованиями он заложил основы радиоспектроскопии.
1945 (физика): В. Паули (Принстонский Университет, США) – за открытие принципа исключительности, называемого также принципом Паули.
В 1925 г. В. Паули сформулировал свой принцип исключительности, который утверждал, что “в атоме не может существовать двух и более электронов, у которых совпадают все квантовые числа” 28.
1954 (физика): М. Борн (Эдинбургский Университет) – за фундаментальные исследования в квантовой механике, в частности за статистическую интерпретацию волновой функции.
В 1920-х годах М. Борн развил математическую основу и физическую интерпретацию квантовой механики 29.
1954 (химия): Л. К. Паулинг (Калифорнийский институт технологии, Пасадена, США) – за исследование природы химических связей его приложения к определению структуры сложных веществ.
В 1930-х годах Л. Паулинг предложил концепцию валентных связей, заложив тем самым основы квантовой химии 30. Он единственны на сегодняшний день обладатель двух индивидуальных Нобелевских Премий. Вторую Премию – Нобелевскую премию Мира,  он получил в 1962.
1955 (физика): В. Е. Ламб (Стэнфордский Университет, США) – за открытия, относящиеся к тонкой структуре спектров водорода и П. Кущ (Колумбийский Университет, Нью Йорк, США) – за точное определение магнитного момента электрона.
В 1947 г. В. Ламб обнаружил тонкое расщепление оптического излучения водорода 31, которое отличалось от предсказания П. Дирака. Это стимулировало пересмотр основных концепций применения квантовой теории в электромагнетизме. В 1947 г. П. Кущ точно измерил момент электрона 32 и показал, что он на малую величину отличается от того, что предсказал П. Дирак.
1956 (физика): В. Б. Шокли (Полупроводниковая Лаборатории корпорации Бекман Инструментс, Маунтэн Вью, США) Дж. Бардин (Иллинойсский Университет, Урбана, США) и В. Х. Браттейн (Белл Телефон Лабораториз, Мюррэй Хилл, США) – за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта.
В 1947-1949 гг. В. Шокли, Дж. Бардин и В. Браттейн, работая в Белл Телефон Лабораториз, провели фундаментальные исследования полупроводников и создали первый транзистор 33. С этого изобретения началась эра твердотельной электроники.
1962 (физика): Л. Д. Ландау (Академия Наук СССР, Москва, СССР) – за пионерские теории для конденсированного состояния вещества.
Л. Д. Ландау предложил концепцию квантовой жидкости в конденсированном веществе. Им сформулирована теория квантовых жидкостей Бозе типа (1941-1947) и Ферми типа (1956-1958) 34 [29], что продвинуло понимание закономерностей поведения электронов в твердых телах.
1964 (физика): Ч. Х. Тоувнес (Массачусеттский Институт Технологии, Кэмбридж, США), Н. Г. Басов (Лебедевский Институт Физики, Москва, СССР) и А. М. Прохоров (Лебедевский Институт Физики, Москва, СССР) – за фундаментальные разработки в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, работающих на принципах мазера-лазера.
Теоретические принципы работы мазеров и лазеров 35 были разработаны Н. Басовым и А. Прохоровым в 1955-1960. В 1958 г. А. Щавлов и Ч. Тоувнес создали первый мазер, использующий стимулированное излучение молекул аммиака 36. Он генерировал микроволновое излучение, которое в отличие от излучения естественного происхождения было когерентным. (А. Щавлов получил Нобелевскую Премию по физике позже – в 1981 г., за развитие лазерной спектроскопии).
1966 (физика): А. Кастлер (Парижский Университет, Франция) – за открытие и развитие оптических методов для исследования герцевского резонанса в атомах.
В 1950-х годах А. Кастлер и его сотрудники показали, что электроны в атоме могут быть переведены в возбужденные состояния воздействием поляризованного света 37. После релаксации это может привести к определенной спиновой ориентации атомов. Последующие радиочастотные переходы открывают возможности для измерения свойств квантованных электронных состояний электронов в атомах.
1966 (химия): Р. С. Мюлликен (Чикагский Университет, США) – за фундаментальные работы, относящиеся к химическим связям и электронной структуре молекул, проведенные методом молекулярных орбиталей.
В 1927-1928 гг. Р. Мюлликен разработал теорию молекулярных орбиталей,  которая с квантово-механических позиций описывает взаимодействие между всеми ядрами и электронами в молекуле 38.
1970 (физика): Л. Е. Ф. Неель (Университет Гренобля, Франция) – за фундаментальную работу и открытия, касающиеся антиферромагнетизма и ферримагнетизма, которые нашли важные применения в физике твердого тела. 
В 1932 г. Л. Неель открыл антиферромагнетизм как форму магнетизма, в которой магнитный момент или спины соседних атомов имеют противоположные направления и таким образом компенсируют друг друга 39. До этого были известны только три формы магнетизма – диа-, пара- и ферромагнетизм. Он показал, что антиферромагнитное состояние исчезает выше определенной температуры, которую сегодня называют точкой Нееля. Более того, им был объяснен сильный магнетизм в ферритах 40. Он предположил, что в этих материалах существует значительный дисбаланс в противоположно направленных спинах, что приводит к существованию в них постоянного магнитного поля. Данное явление было названо им ферримагнетизмом.
1972 (физика): Дж. Бардин (Иллинойсский Университет, Урбана, США), Л. Н. Купер (Броуновский Университет, Провиденс, США) и Дж. Р. Шрифер (Пеннсильванский Университет, Филадельфия, США) – за совместно развитую теорию сверхпроводимости, обычно называемую БКШ‑теория.
В 1956-1957 гг. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шрифер сформулировали теорию сверхпроводимости, основанную на идее о том, что два электрона с противоположными спинами могут образовывать пару, получившую название Куперовской пары, что понижает энергию связанных таким образом электронов и облегчает их движение в кристаллической решетке 41. Такая пара относится к Бозе‑частицам. Они движутся как когерентная макроскопическая жидкость до тех пор, пока энергия тепловых возбуждений остается меньше энергии связи в куперовской паре.
1973 (физика): Л. Исаки (Исследовательский Центр им. Томаса Ватсона фирмы ИБМ, Йорктаун Хейтс, США), И. Джайэвер (Компания Дженерал Электрик, Щенектеди, США) – за экспериментальное открытие туннельных явлений соответственно в полупроводниках и сверхпроводниках, и Б. Д. Джозефсон (Кэмбриджский Университет, Великобритания) – за теоретическое предсказание сверхтоков через барьеры между сверхпроводниками – явления, известные как эффект Джозефсона.
В 1958 г. Л. Исаки открыл туннельные явления в полупроводниках и разработал туннельный диод 42, который представляет собой электронный элемент с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В 1960 г. И. Джайэвер изобрел и детально изучил свойства туннельных переходов, образуемых сверхпроводниками 43. В 1962 г. Б. Джозефсон теоретически проанализировал перенос носителей заряда между двумя сверхпроводящими металлами, разделенными материалом с нормальной проводимостью. Он обнаружил, что квантовая фаза, определяющая транспорт носителей заряда в такой структуре, является осциллирующей функцией приложенного к структуре напряжения 44.
1977 (физика): Ф. В. Андерсон (Белл Телефон Лабораториз, Мюррей Хил, США), Сэр Н. Ф. Мотт (Кэмбриджский Университет, Кэмбридж, Великобритания) и Дж. Х. ван Влек (Гарвардский Университет, Кембридж, США) – за фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и разупорядоченных систем.
В конце 1950-х годов Ф. Андерсон развил теорию электронной структуры металлических систем, которая учитывала неоднородности в сплавах и магнитные примесные атомы в металлах 45. В 1940-1950 гг. Н. Мотт основные условия для электронной проводимости в твердых телах и сформулировал правило, регулирующее превращение изолятора в проводник (переход Мотта), когда состав твердого тела или внешние условия претерпевают изменения 46. В 1930-х годах Дж. ван Влек развил теорию магнетизма в конденсированных средах непосредственно вслед за созданием квантовой механики 47. Он рассчитал влияние химических связей на парамагнитные атомы и объяснил роль температуры и магнитного поля в магнитных свойствах материалов.
1985 (физика): К. вон Клитцинг (Институт Макса Планка, Штутгарт, Германия) – за открытие квантового эффекта Холла.
В 1980 г. К. вон Клитцинг со своими сотрудниками обнаружил и исследовал квантование в эффекте Холла 48. Они установили, что в квази-двумерной проводящей структуре, помещенной в сильное магнитное поле перпендикулярное ее плоскости, Холловское напряжение изменяется не линейно с ростом магнитного поля, как это имеет место в классическом эффекте Холла, а ступенчато. Холловское сопротивление, соответствующее этим ступенькам оказывается квантованным и обеспечивает измерение с высокой точностью отношения между двумя фундаментальными константами – зарядом электрона и постоянной Планка.
1986 (физика): Э. Руска (Институт Фрица Хабера, Берлин, Германия) – за фундаментальную работу по электронной оптике и создание первого электронного микроскопа, Г. Бинниг и Г. Роер (оба Цюрихская исследовательская лаборатория ИБМ, Рущликон, Швейцария) за создание сканирующего туннельного микроскопа.
В начале 1930-х годов Э. Руска выполнил фундаментальные исследования по оптике электронных потоков и сделал первый работающий электронный микроскоп 49. В 1982 г. Г. Бинниг и Г. Роер разработали принципиально новый подход к получению изображений поверхности объектов, который обладал чрезвычайно высоким разрешением, вплоть до индивидуальных атомов 50. Для этого они использовали туннелирование электронов из острого металлического зонда, приближенного к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. Поскольку величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между зондом и поверхностью, то его регистрация, а чаще регистрация напряжения, необходимого для поддержания туннельного тока постоянным, в процессе сканирования зонда вдоль поверхности позволяет визуализировать топологию поверхности с атомным разрешением. В 1989 г. с использованием санирующего туннельного микроскопа ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на поверхности кристалла никеля название своей компании. Правда, такая надпись просуществовала недолго - атомы быстро разбежались с поверхности. Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открыл потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1987 (физика): Дж. Дж. Беднорц и К. А. Мюллер (оба из Исследовательской лаборатории ИБМ, Рущликон, Швейцария) – за открытие сверхпроводимости керамических материалов.
В 1986 г. Дж.  Беднорц и К. Мюллер обнаружили, что оксид La2CuO4, легированный Ba, становится сверхпроводящим при охлаждении всего до 35 K 51, что явилось рекордом по критической температуре для сверхпроводников. Началась гонка за повышение критической температуры. Вскоре и другие исследовательские группы заявили о наблюдении сверхпроводящих свойств у купратов. Рекорд очень быстро достиг температур порядка 100 K. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стимулировало значительную активность как со стороны физиков в попытках понять механизм сверхпроводимости в этих необычных материалах, так и со стороны инженеров в попытках технической реализации преимуществ использования сверхпроводников в электротехнике и электронике.
1996 (химия): Р. Ф. Курл (Райс Университет, Хоустон, США), Сэр Г. В. Крото (Сасэкский Университет, Брайтон, Великобритания) и Р. Э. Смалли (Райс Университет, Хоустон, США) – за открытие фуллеренов.
В 1985 г.  Г. Крото, Р. Курл, Р. Смалли и Дж. Хитс открыли структуры, состоящие из 60 или 70 атомов углерода, связанных между собой в кластеры сферической формы 52. Их назвали фуллеренами, образовав этот термин из имени американского архитектора Р. Букминстера Фуллера, который сконструировал купол в форме футбольного мяча для всемирной выставки в Монреале в 1967 г.
1998 (физика): Р. Б. Лафлин (Стэнфордский Университет, США), Х. Л. Стормер (Колумбийский Университет, Нью Йорк, США) и Д. К. Тсуи (Принстонский Университет, США) – за открытие новой формы квантовой жидкости с чатично заряженными возбуждениями.
В 1982 г. Д. Тсуи, Х. Стормер и А. Госсард представили результаты углубленного исследования квантового эффекта Холла в инверсионных материалах сверхвысокой чистоты 53. Было обнаружено, что плато в зависимости холловского сопротивления от магнитного поля появляются не только для заполнения орбит одним, двумя, тремя и т.д. электронными зарядами, но и для дробных зарядов! Такое поведение электронной системы получило объяснение в рамках модели новой квантовой жидкости, в которой движение независимых электронов заменено возбуждением многочастичной системы, которая ведет себя как система с дробным зарядом. В 1983 г. Р. Лафлин разработал теорию квантовой жидкости с частично заряженными возбужденными состояниями 54.
1998 (химия): В. Кон (Калифорнийский Университет, Санта Барбара, США) – за создание теории функционала плотности и Дж. А. Попл (Северозападный Университет, Эванстон, США) за развитие вычислительных методов в квантовой химии.
В 1964-1965 гг. В. Кон разработал теорию электронных состояний 55, которая применима как для отдельных атомов, так и для молекул в твердых телах. Он предложил методы учета квантового обменного взаимодействия, с помощью которых были преодолены ограничения в объективности электронных расчетов для твердых тел. В 1950-1960 гг. Дж. Попл вместе со своими сотрудниками разработал компьютерные программы для моделирования электронных свойств веществ на основе классической квантовой теории и функционала плотности 56.
2000 (физика): Ж. И. Алферов (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Санкт Петербург, Россия) и Г. Кроемер (Калифорнийский Университет, Санта Барбара, США) – за разработку полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной электроники и оптоэлектроники и Дж. С. Килби (Тексас Инструментс, Даллас, США) – за вклад в изобретение интегральной схемы.
В 1960-х годах Ж. Алферов со своими сотрудниками и независимо от них Г. Кроемер разработали новые слоистые структуры для приборов микроэлектроники и оптоэлектроники, получившие название полупроводниковые гетероструктуры 57. Это ознаменовало существенный прогресс в физике и технологии полупроводников AIIIBV, который обеспечил создание уникальных твердотельных лазеров, детекторов излучения, светодиодов.
В конце 1950-х годов Дж. Килби предложил и впервые реализовал концепцию интегрирования электронных компонентов в одном полупроводниковом кристалле 58. Он изобрел целый ряд интегральных схем, на которые получил более 60 патентов только в США. Благодаря его изобретениям микроэлектроника стала основой информационных технологий в XX-ом веке.
2003 (физика):  А. А. Абрикосов (Арагонская национальная лаборатория, США, Россия), В. Л. Гинзбург (Физический институт им. П. Н. Лебедева, Москва, Россия) и А. Дж. Легет (Иллинойский университет, Урбана, США) – за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести.
А. Абрикосов предложил теоретическое объяснение явления сверхпроводимости в так называемых сверхпроводниках типа II – то есть в материалах, обладающих одновременно сверхпроводящими и магнитными свойствами 59, в отличие от сверхпроводников типа I, у которых в сверхпроводящем состоянии магнитное поле вытесняется за пределы изготовленного из них образца. Специфическое расположение линий магнитного поля в сверхпроводниках типа II получили название вихрей Абрикосова. В основу своей теории он положил представления, развитые в работах В. Гинзбурга 60 и других исследователей для сверхпроводников типа I. Хотя теоретические представления и А. Абрикосов, и  В. Гинзбурга были сформулированы в 1950-х годах, они оказали существенное влияние на создание, исследование и использование новых материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при повышенных температурах и в сильных магнитных полях, активно развернувшихся в 1970-х годах и расширившихся позже.
Заслуги А. Легета состоят в его вкладе в развитие теории сверхтекучести жидкого гелия. Он показал, что атомы изотопа гелия 3He образуют пары по подобию Куперовских пар электронов в сверхпроводниках 61. Эти то пары и обеспечиваю определенный порядок расположения атомов гелия, приводящий к его сверхтекучести.
2007 (физика): А. Ферт (Университет Париж-Суд, Орсей, Франция) и П. Грюнберг (Исследовательский центр, Юлих, Германия) – за открытие гигантского магнитосопротивления.
В 1988 г. научные группы А. Ферта 62 и П. Грюнберга 63 независимо друг от друга открыли новый физический эффект – гигантское магнитосопротивление. Его сущность состоит в значительном отличии сопротивления тонкопленочной структуры, состоящей из чередующихся слоев нанометровой толщины магнитного и немагнитного материала,  при однонаправленной и противоположно направленной намагниченности слоев магнитного материала. На этом эффекте разработаны и выпускаются промышленно высокочувствительные читающие магнитные головки, интегральные ячейки памяти и другие современные устройства получения, хранения и обработки информации. 
2010 (физика): А. Гейм и К. Новоселов (оба из Университета Манчестера, Великобритания) – за прорывные эксперименты с двумерным материалом – графеном. 
Группе исследователей из Манчестера (Великобритания) и Черноголовки (Россия), в которую входили А. Гейм и К. Новоселов удалось первыми получить экспериментально двумерные кристаллы углерода – графена 64. Они предложили и использовали механическое отслаивание отдельных листов графена от кристалла графита. Тонкий слой пиролитического графита помещали между липкими лентами и, разъединяя и вновь соединяя эти ленты, раз за разом отщепляли тонкие слои графита до тех пор, пока не был получен слой графена на одной из лент. Показанная принципиальная возможность получать графен, пригодный для практического исследования и использования, сделала этот материал одним из самых привлекательных для наноэлектронных применений.  
Заключая обзор представленных достижений, следует отметить, что фундаментальное понимание закономерностей явлений в наномире опирается на знания о поведении электронов и фотонов с учетом их корпускулярной и волновой природы.  Нобелевские Премии, хотя и отмечают выдающиеся достижения науки и техники, не полностью отражают наиболее значимые открытия и разработки. Так ждут соответствующего признания такие достижения как одноэлектронное туннелирование, углеродные нанотрубки, нанопористые оксиды металлов, интерференционные эффекты в переносе носителей заряда в наноструктурах, эффект квантования проводимости, теория и практика квантовых вычислений.
Значительные возможности еще непознанного наномира еще в 1958 г. особо отметил американский физик Р. Фейнман.  Его доклад «Там, внизу, еще много места» 65 представил перспективы управления свойствами материалов на атомном и молекулярном уровнях. Он указывал на возможности прямого конструирования структур путем сложения отдельных атомов. 
Заметной вехой в развитии идей нанотехнологий стала серия работ американского ученого Эрика Дрекслера (K. E. Drexler). В 1981 г. он опубликовал статью «Молекулярная инженерия: подход к разработке общих принципов манипулирования молекулами» 66. Используя известную в то время технику конструирования белковых макромолекул, он предложил создавать из атомов и молекул наноразмерные аналоги различных механических устройств – зубчатые передачи, подшипники, моторы, насосы … Расширенная картина гипотетических возможностей нанотехнологий на молекулярном уровне дана им позже в книге «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологий» 67.  В этой книге затрагиваются также философские и этические аспекты проникновения нанотехнологий в повседневную жизнь. Несмотря на детальное обсуждение путей создания молекулярных наномашин, идеи Э. Дрекслера до сих пор остаются научной фантастикой, стимулирующей, однако, поисковые исследования и разработки в направлении молекулярных нанотехнологий.

1.3. Нанотехнологии как новое направление в науке и технике

Развитию современных нанотехнологий во многом способствовало постоянное совершенствование методов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем – стремление уменьшить составляющие их элементы до минимального технологически достижимого размера. Однако сегодня нанотехнологии и создаваемые с их использованием наноматериалы проникли и охватывают практически все области человеческой деятельности от искусства, медицины и косметологии до электроники, машиностроения,  энергетики, сельского хозяйства. Основным двигателем прогресса в этом направлении являются новые уникальные свойства материалов и структур, создаваемых по нанотехнологиям. При этом нанотехнологические приемы постоянно совершенствуются, появляются все новые и новые методы.
Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая, очевидно, в обозримом будущем внесет революционные изменения в технологии XXI  века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме нанокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т.п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации.
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных структур могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов. Впечатляющие примеры связаны с биологией, где живая природа демонстрирует нам наноструктуры на уровне клеточного ядра. В этом смысле собственно нанотехнология, как научно-техническое направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается  в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи. В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах.
Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.
Использование перечисленных выше свойств в практических приложениях и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно- и износостойких материалов и покрытий, катализаторов с высокоразвитой поверхностью, нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, сверхскоростных приборов наноэлектроники.
Нанотехнологии сегодня имеют надотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности. Фактически переход к нанотехнологиям знаменует переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к принципиально новому экономическому укладу.
Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение окружающей среды. Если же мы будем целенаправленно создавать необходимые нам материальные объекты, конструируя их из атомов и молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.
Таким образом, современные нанотехнологии – это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, – принципиальный вызов существующей системе организации научных исследований, и, в-третьих, – философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.