Нанотехноло́гия, технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м (атомы, молекулы). Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Процессы нанотехнологии подчиняются законам квантовой механики. Нанотехнология включает атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне и др.
В 2006 нанотехнологии в России провозглашены приоритетным направлением и включены в число национальных проектов.
Наномашины (нанороботы) строятся из отдельных атомов, как из деталей конструктора, с атомарными колесами и двигателями. Наномашина будет изготовлять другие предметы из атомов, например, нанотележки для перевозки лекарств по телу человека с потоком крови. Наномашины строятся так, чтобы они могли сами себя собирать и воспроизводить, подобно тому, как сами себя строят молекулы в нашем организме. Для построения крупного устройства необходима будет слаженная работа миллиардов наномашин.
Реализация всех этих направлений уже началась. В начале 1990-х гг. были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.
Существующие способы осаждения примесей в полупроводниках (эпитаксии) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему пределу не только в смысле размеров, но и топологически. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры — когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения на схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии.
В частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды. В то же время, сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. Возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.
Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. в конце концов этот экспоненциальный процесс приведет к созданию молекулярных роботов - механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером.
Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем.
Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.
Нанотехнологии готовятся применить для создания принципиально нового углеродного компьютера. Ведь в атомарном масштабе углерод, по мнению ученых, будет обладать лучшими электрическими характеристиками для изготовления компьютеров, чем кремний, который применяется сейчас. Компьютер можно будет собирать, связывая между собой отдельные атомы. Это будет компьютер вполне нормальной величины.
При переходе к наномасштабам, на первый план выходят квантовые свойства рассматриваемых объектов. С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами квантового ограничения, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.
Специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновский блокады. Первоначально граница раздела между диэлектриком и металлом электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Так перенос заряда в структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона.
Одними из первых, появились элементы на резонансном туннелировании, представляющие собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которых потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом.
Туннельный транзистор, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора в его середине между двумя прослойками твердого диэлектрика. Если представить один бит как наличие или отсутствие одного электрона, то схема памяти емкостью 100 Гб разместится на кристалле, площадью всего 6 см2.
В 1993 г. было разработано семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц.
Квантовые точки представляют собой маленькие, размерами порядка нанометра, «ящики», которые могут задерживать и выпускать электроны. Полупроводниковые квантовые точки представляют собой гигантские молекулы, состоящие из 103 - 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью. Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры в лабораторных условиях на максимальном пределе нулевого измерения (т. е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы.
Эксперты говорят о возможном неблагоприятном воздействии нанотехнологий на здоровье человека и окружающую среду. Некоторые призывают на установление моратория на производство и коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий. Существует мнение и о том, что нанотехнологии будут оказывать неблагоприятное воздействие на экосистему. Абсорбирующие свойства наноэлементов значительно выше, чем у других молекул. Следовательно, если они будут распространяться в окружающей среде, возникнет опасность, что наноматериалы будут активно поглощать загрязнители и повсюду их распространять.