Оглавление

Введение: несколько слов о проблеме и книге

Глава 1.
Миниатюризация в окружающем нас мире

1.1. Исторические и психологические корни
1.2. Соблазн нанотехнологии: истоки, особенности становления, результаты и перспективы
   1.2.1. Первые шаги
   1.2.2. Нанотехнология выходит на государственный уровень
   1.2.3. Нанотехнология сегодня – основные принципы и их неожиданные воплощения

Глава 2
Миниатюризация – мощный инструмент технического прогресса

2.1. Вакуумные электронные лампы, транзисторы, планарные чипы в вычислительной технике
   2.1.1. Немного об истории вычислительных средств
   2.1.2. Полупроводниковые приборы – революция в электронике
   2.1.3. Планарная полупроводниковая технология – всеобщее признание и ограничения
2.2. Биомолекулярные векторы, переносящие генетическую информацию, производсто трансгенных организмов
   2.2.1. Трансгенная инженерия
   2.2.2. Трансплантация клеточных ядер – клонирование
2.3. Биочипы, наномоторы - неожиданные возможности нанобиологии
   2.3.1. Биочипы – эффективное аналитическое средство
   2.3.2. Молекулярные моторы

Глава 3.
Самобытный мир наноразмеров

3.1. Размерное квантование  в полупроводниках
3.2. Наномедицина: истоки и реалии
   3.2.1. Наночастицы в медицине
   3.3. Квантовые точки и обработка информации

3.4. Методы получения наночастиц
3.5. Лазеры на гетеропереходах

Глава 4.
Самосборка и самоорганизация – естественный путь создания наноразмерных образований

4.1. Процессы самоорганизации и их особенности.
4.2. Синергетические принципы процессов самоорганизации.

Глава 5
Молекулы и молекулярные ансамбли – естественный предел миниатюризации

5.1. Что такое молекулярная структура?
5.2. Обработка и хранение инфрмации на молекулярном уровне
   5.2.1. Первые идеи, инициировавшие становление молекулярной электроники
   5.2.2. Дискретные молекулярные устройства хранения и обработки информации
   5.2.3. Конформационные переходы в молекулах – перспективная элементная база вычислительных устройств
   5.2.4. Нужна ли молекулярная элементная база разработчикам цифровых компьютеров с фон Неймановской архитектурой?
5.3. Биологические принципы обработки информации
   5.3.1. Информационные потребности  постиндустриального общества и парадигма фон Неймана
   5.3.2. Вычислительная техника и задачи искусственного интеллекта
   5.3.3. Биологически инспирированные средства обработки информации: нейронные сети и нейрокомпьютеры
   5.3.4. Обработка информации в биологических нейронных сетях и полупроводниковыми цифровыми компьютерами
   5.3.5. Аморфный компьютинг
   5.3.6. ДНК-компьютинг – изощренное сочетание биологических принципов и «инструментов» обработки информации
   5.3.7. Новые идеи: мемристоры и моделирование интеллекта
5.4. Распределенные реакционно-диффузионные системы и обработка ими информации
   5.4.1. Реакционно-диффузионные системы: принципы организации и поведения
   5.4.2. Химические реакционно-диффузионные среды типа Белоусова-Жаботинского
   5.4.3. «Возникающие» информационные механизмы
   5.4.4. Принципы обработки информации реакционно-диффузионными устройствами
   5.4.5. Реакционно-диффузионный процессор
   5.4.6. Обработка изображений средами типа Белоусова-Жаботинского
   5.4.7. Реакционно-диффузионные среды: моделирование оптических иллюзий
   5.4.8. Реакционно-диффузионный процессор: определение кратчайшего пути в лабиринте
   5.4.9. Системы взаимосвязанных реакционно-диффузионных реакторов: распознающие устройства
   5.4.10. Полупроводниковые реакционно-диффузионные устройства – первые попытки
   5.4.11. Необходимые эксплуатационные требования к реакционно-диффузионному процессору
   5.4.12. Мозг и реакционно-диффузионный компьютер

Глава 6
Гигантские молекулы – полимеры

6.1. Химическое строение, структура и пространственная конфигурация полимерной цепи
6.2. Молекулярные комплексы полимерных молекул
6.3. Гидрогели
6.4. Каркасные аллотропные формы углерода – фуллерены и нанотрубки
6.5. Полиэлектролиты: литий-полимерные аккумуляторы
6.6. Суперконденсаторы

Предисловие

    Эта книга является развитием учебного пособия «Физические и химические основы нанотехнологий», написанного совместно с А.В.Березкиным и опубликованного в 2008 г. К сожалению, тираж этой книги оказался недостаточным для того, чтобы удовлетворить потребности в ней, и это наводило на мысль о необходимости ее переиздания. В то же время уже после выхода книги становилось все более и более ясно что необъятный мир физических идей, уникальных технологических приемов и вновь возникающих путей применения, которые образуют то, что сегодня называют нанотехнологией, требует дифференцированного подхода к отдельным ее направлениям для их детального понимания и дальнейшего развития. По-видимому, наиболее очевидным разграничением представляется естественное различие, вытекающее из двух основных нанотехнологических принципов:
     -предельная миниатюризация объектов, которая приводит к появлению новых, практически важных свойств,
     -управление свойствами макроскопических объектов воздействием на его структуру на микро- (нано-) уровне.
     Проблемы, которые возникают и в том, и в другом случае близки по своей физической сущности, но, в то же время, обладают и некоторой спецификой.
     В этой книге рассматривается структура и свойства наноразмерных образований, которые активно изучаются на протяжении последних десятилетий и используются в различных практических применениях. К ним относятся как большие (в том числе полимерные) молекулы, так и атомно-молекулярные образования с направленно созданной структурой – квантовые точки, нанотрубки, тонкопленочные гетероструктуры, молекулярные кластеры. Основное внимание обращено при этом на то, каковы физические механизмы, ответственные за появление новых свойств при переходе от макро-состояния вещества к наноразмерным образованиям, построенным из тех же самых, что и вещество, молекулярных элементов.
     Не следует забывать при этом, что изучение явлений окружающего нас мира на атомно-молекулярном уровне зародилось еще в начале прошлого века, задолго до появления самого термина «нанотехнология». Оно сопровождалось разработкой новых методов определения структуры и свойств вещества. А это, в свою очередь, позволило понять фундаментальное значение белков и ДНК и создать на этой основе новые подходы к производству разнообразных, необходимых в повседневной жизни продуктов, разработать планарную технологию изготовления полупроводниковых микроэлектронных приборов, производить уникальные наноструктурированные металлы, сплавы, керамические и полимерные материалы. 
     В последние годы сама область нанотехнологических представлений все более, и более расширяется.
     Возникло понимание того, что целый ряд объектов, и прежде всего большие распределенные динамические системы с размерами исходных элементов, далекими от нано диапазона, функционируют по тем же основным принципам. Поэтому не удивительно, что нанотехнология все более и более формируется как междисциплинарная отрасль. В сущности, это попытка объединить отдельные научные направления  физики, химии и биологии и подойти на этой основе и к другим, нередко очень сложным и неоднозначным  явлениям окружающего нас мира. Сейчас этот процесс приобрел взрывной характер, когда быстро возрастающая сложность изучаемых систем и явлений зачастую  находится на пределе возможностей аналитической техники, требует дорогостоящего оборудования, широко образованных специалистов, и, как никогда, систематического и тесного объединения теории и эксперимента.
     Все это можно было бы рассматривать как первые робкие ростки грядущей промышленной революции. Но сегодняшняя ситуация оказывается намного более сложной.
     Явные многообещающие отдельные успехи, например, в изучении генетической основы человека, вызывают неуемную фантазию плохо образованных энтузиастов, чьи ультрареволюционные идеи типа бессмертия на генетической основе, по существу, дискредитируют достигнутое.
     В то же время, не до конца понятые отдаленные последствия применения новых подходов вызывают резкое (и не всегда необоснованное) сопротивление скептиков, которое иногда распространяется на проблему в целом.
     Именно поэтому понятное студентам, аспирантам и всем заинтересованным, работающим в смежных областях, и, при этом, физически строгое изложение основных проблем нанотехнологии, игорает существенную роль для разумного использования нанотехнологических принципов в современной научной и инженерной деятельности.
     В книге не рассматриваются проблемы, специфические для наноструктурированных материалов (интересующихся можно отослать к первоначальному изданию «Физические и химические основы нанотехнологий»). В то же время представлялось разумным сохранить общую нанотехнологическую направленность изложения.
    Сегодняшняя ситуация во многом напоминает первую волну  нанотехнологических подходов, которая возникла в 70-80 гг. прошлого века.   В те годы в связи с трудностями становления планарной технологии полупроводниковой электроники сама идея перехода на молекулярную элементную базу была очень популярной. Даже назывались сроки, когда наступит эта новая эра в электронике. Тем не менее только совсем недавно, в 2007 г. было опубликовано сообщение группы сотрудников компании «Хьюлетт-Паккард» и Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе (группа HP-UCLA), в котором рассматривалась конструкция и рабочие характеристики первого работоспособного молекулярного устройства памяти объемом 160 килобит. В нем в качестве элементов памяти используются  молекулы одного из органических соединений – ротаксанов, которые позволяют создать чип с плотностью размещения элементов 1011 на см2.  Но и это еще не значит, что в ближайшем будущем молекулярные ЭВМ станут основой вычислительной техники.
     Мне кажется, что сегодняшная ситуация в нанеотехнологии в общем аналогична многолетнему состоянию дел в области молекулярной электроники, когда отдельные удивительные достижения, в основе которых лежат новые принципы, вызывают желание распространить и использовать эти принципы в самых разнообразных областях человеческой деятельности. И при этом приходится констатировать, что объявленная как основная цель – революция в промышленном производстве еще далека и наталкивается на существенные затруднения. В их основе лежат очевидные, но почему-то часто забываемые причины. И прежде всего это преимущественный упор на технические аспекты проблемы, тогда, как смена технологических формаций неминуемо сопровождается не только изменением техники и технологии промышленного производства, но и существенными сдвигами в организации как исследований, так и производства, созданием принципиально новой инфраструктуры, необходимостью переобучения (изменения психологии)  исследователей и инженеров, создающих и эксплуатирующих новую технику. И при этом сегодня практически не обсуждается фундаментальная   проблема – где эти устройства могут экономически выгодно использоваться.
     Поэтому, и для полноты изложения, казалось естественным сохранить в этой книге связь структурных аспектов, относящихся к наноразмерным объектам, с общими проблемами нанотехнологии.
 
Н.Г. Рамбиди