История развития нанонауки

Реферат к кандидатскому экзамену

«История и философия науки»

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗНАНИЙ О ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

Введение

Несомненно, нанотехнология остается ключевым понятием начала 21го века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике. Однако, несмотря на большие перспективы, до недавнего времени вопрос использования наноструктурных (НС) металлов и сплавов в качестве конструкционных и функциональных материалов нового поколения оставался спорным. Только в последние годы наметился прорыв в этой области, связанный как с разработкой новых путей получения объемных НС материалов, так и с исследованием фундаментальных механизмов, приводящих к достижению в них новых свойств. Интерес к нанотехнологии существенно возрос, так как обнаружилось, что при достижении размера кристаллов ниже определенной пороговой величины происходит существенное изменение свойств. Эти эффекты наблюдаются при формировании характерных элементов структуры (как правило, кристаллических зерен) со средним размером не более 100 нм. Хотя глубокое понимание этих механизмов остается предметом фундаментальных исследований, опытно-промышленные изделия для медицины и микроустройств скоро могут появиться на рынке.

Прикладной интерес к наноматериалам обусловлен возможностью значительной модификации и даже принципиального изменения свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние, новыми возможностями, которые открывает нанотехнологии в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера при переходе в нанокристаллическое состояние. Сущность нанотехнологии состоит в возможности работать на атомном и молекулярном уровне, в масштабе длин 1-100нм, для того, чтобы создавать и использовать материалы и устройства, имеющие новые свойства и функции благодаря малой шкале их структуры. Таким образом, термин «нанотехнологии» относится к размерам именно структурных элементов. Уже сегодня нанопродукты играют важную роль почти во всех отраслях индустрии. Сфера их применения огромна.

Основными типами наноструктурированных материалов по размерности структурных элементов, из которых они состоят, являются нульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D) и трехмерные (3D) наноматериалы. К нульмерным наноматериалам относятся нанокластерные материалы и нанодисперсии, т. е. материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Одномерные наноматериалы — нановолоконные (нанопрутковые) и нанотубулярные материалы с длиной волокон (прутков, трубок) от 100 нм до десятков микрометров. К двумерным наноматериалам относятся пленки (покрытия) нанометровой толщины. Важной характеристикой объемных наноматериалов является однородность структуры и свойств в различных сечениях, даже если образцы имеют большие геометрические размеры. Другими параметрами, наряду со средним размером зерен, являются распределение зерен по размерам, их равноосность, наличие преимущественно большеугловых границ. Структуры в объемных наноматериалах являются ультрамелкозернистыми структурами зеренного типа, содержащими преимущественно большеугловые границы зерен. Создание таких наноструктур может быть осуществлено методами ИПД, позволяющими достичь очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах в условиях высоких приложенных давлений.

В чистых металлах и ряде сплавов интенсивные пластические информации обеспечивают формирование ультрамелкозернистых структур с размером зерен 100-200 нм, а иногда и более. Сформировавшиеся зерна имеют специфическую субструктуру, связанную с присутствием решеточных и зернограничных дислокаций, наличием больших упругих искажений кристаллической решетки

Дополнительно, с изменением внутренней структуры в конструкционных материалах реализуется эффект упрочнения, т.е. изменение величин, характеризующих физико- механическое поведение материалов, в сторону увеличения.

История развития нанонауки

Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10~9м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, — это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Георгий Гамов, член-корреспондент АН СССР, был исключен из Академии наук, после того как в 1933 году не вернулся в СССР из командировки в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса, и только посмертно, в 1 990 году, его звание было восстановлено.

Так вот, еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений   Эрвина   Шредингера.   Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального   барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники. В 1956 году Г. А. Гамов получил премию Калинга за популяризацию науки.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то вре¬мя не осознали его перспективности.

В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 году, и Макс Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О'Кифи предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О'Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки. В это же время Юрий Сергеевич Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар», впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский при исследованиях аварий авиационной техники в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой «сервовитной пленки» толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из крупнейших физиков XX века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана, прочитанной 29 декабря 1959 года. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов...», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне. В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18—24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезодвигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов.

В это же время Дэвид Джонс теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник, а Эйдзи Озава предположил существование полой высокосимметричной молекулы Сб0 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем, применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

В 1973 году советские ученые Дмитрий Анатольевич Бочвар и Елена Григорьевна Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Однако, как часто бывает, задолго до работ Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман — ученый, разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.

Роберт А. Фрейтас отмечал: «Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу». Самовоспроизводящиеся машины (автоматические репликаторы) — ключевое свойство нанороботов, ток как эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие, более совершенные создания.

В дальнейшем прогноз развития нанотехнологии рассматривался через представления, сформировавшиеся в более поздних работах К. Э. Дрекслера и его последователей: Р. Фрейтаса, Ральфа Меркле и др.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил японский физик Норио Танигучи из Токийского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ученые-ботаники из Боннского университета (ФРГ) Вильгельм Бартлотт и Кристоф Найнуйс обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики Герд Карл Бинниг  и Э. Руска, а также швейцарец Гейнрих Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали растровый туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова они смогли измерить неровности высотой в один атом. С помощью туннельного микроскопа стало возможным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а, следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.

Главной проблемой в исследованиях на сканирующем туннельном микроскопе стали фоновые помехи: острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций даже вне лаборатории. Кроме того, прибор позволял исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода), по горизонтали — около 0,2 нм. По сути это уже не микроскопы, а наноскопы. В 1980-1981 годах с разработкой метода получения кластеров при испарении с помощью лазера в сверхзвуковых соплах стало возможным экспериментальное получение кластеров с количеством атомов от 40 до 100. Этот метод был специально разработан для детального изучения многоатомных молекул, в первую очередь — для металлов переходных структур.

При помощи данного способа в 1984 году немецкие ученые впервые получили углеродные кластеры, а профессор Герберт Гляйтер, изучавший структуры различных конструкционных материалов с 1982 по 1985 годы, предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

То, что более десяти лет назад теоретически предсказывали японец Э. Осава и советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн, нашло практическое подтверждение. В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, химика Гарольда Крото из Сассекского университета, американских химиков Роберта Флойда Керла и Джеймса Хита  и Шона О'Брайена и под руководством Ричарда Смолли в университете Раиса (США) Получил новый класс соединений — фуллерены и исследовал их свойства (Нобелевская премия за 1996 год). Инициатором поиска был Г. Крото, который изучал лазерное испарение и масс-спектроскопию малых углеродных кластеров.

В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена Сб0. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

В том же 1985 году немецкий физик Клаус Олаф фон Клитцинг получил Нобелевскую премию за открытие квантового эффекта Холла в 1980 году. Он установил, что в сильных магнитных полях плоского проводника (то есть квазидвухмерного электронного газа) начинают сказываться квантовые эффекты. Это приводит к квантовому эффекту, названному в честь американского физика Эдвина Герберта Холла. В 1879 году Э. Холл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму открыл в тонких пластинках золота эффект возникновения поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле.

В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), позволивший «рассматривать» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.

К концу 1986 года в лабораториях мира работало уже не менее 40 сканирующих микроскопов.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творения: наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности. Оказалось, однако, что этот термин ранее уже был предложен Н. Танигучи, который под нанотехнологиями понимал любые субмикронные технологии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне атома и молекулы) явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

В России первая отечественная нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева, заработала в 1987—1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта». Она была создана под руководством Петра Николаевича Лускиновича.

В это же время специалист по компьютерам Уоррен Робинет и химик Стэн Уильяме из университета штата Северная Каролина изготовили наноманипулятор — робот размером с человека, соединенный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности. Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.

Дальнейшие работы, в том числе российских ученых, показали возможность валентного «закрепления» атомов на различных поверхностях без какого-либо применения криогенной техники.

Первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллерена (фуллерита) был предложен в 1990 году Вольфгангом Кречмером и Давидом Хафманом с коллегами в Институте ядерной физики Гейдельберга (Германия).

Углеродные нанотрубки открыл в 1991 году японский исследователь Сумио Ииджима из компании NEC. В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Его заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной, или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по краям полусферическими крышечками из семи- или восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

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 температуру, при которой нанотрубки спекаются или сливаются друг с другом.

Следует отметить, что теоретическая возможность образования цилиндрической нанотрубки была предсказана значительно раньше, в 1977 году, советским физиком Михаилом Юрьевичем Корниловым, а за несколько месяцев до реального синтеза мнение об их существовании было высказано русским ученым Леонидом Александровичем Чернозатонским. Также в 1991 году началась разработка первой программы Национального научного фонда США по изучению проблем нанотехнологии. Аналогичную программу разрабатывали в Японии по поручению правительства. Была намечена серия проектов, направленных на создание приборов нанометрового размера, и самым значительным из них стал проект Angstrom Technology Project с объемом финансирования 185 млн долларов. Он был рассчитан на 10 лет, и в его реализации участвовали 80 фирм. Была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре «Цукуба», а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в данной области.

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 своей следующей не менее известной книге Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation («Наносистемы. Молекулярные механизмы, производство и программирование»), вышедшей в свет в 1992 году, К. Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологии в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать «практическая нанотехнология».

Эти и другие исследования дали мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц — нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.

С 1995 года из пяти направлений научных программ по нанотехнологиям первостепенным оставалось создание функциональных приборов на основе наноструктур. Во Франции  открылся  клуб  нанотехнологов,   объединявший ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании начали издаваться первые специализированные журналы «Нанотехнология» и «Нанобиология», в которых публиковалось множество научных работ, посвященных нанотехнологическим комплексам, их применению для конструирования нанороботов с целью использования не только на Земле, но и в космосе.

В 1997 году в Великобритании был организован первый в Европе Институт наноструктурных материалов. Во многих институтах мира (США, Германия, Япония, Англия, Франция, Италия, Швейцария, Израиль и др.) создавались лаборатории и отделы наноструктур, которые возглавляли известные ученые.

На пятой Форсайтовской конференции К. Э. Дрекслер заявил, что, по его убеждению, к 2020 году станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

К важнейшим научно-практическим достижениям в следующие пять лет (1998—2003 годы) относят открытия и события, перечисленные ниже.

В 1998 году Роберт Беттс Лафлин, Хорст Людвиг Штермер и Дэниел Чи Цуи были удостоены Нобелевской премии за открытие дробного эффекта Холла, заключающегося в том, что в очень сильных магнитных полях наблюдается кардинальная перестройка внутренней структуры двухмерной электронной жидкости.

Профессор Высшей технической школы в г. Делфте (Нидерланды) Сиз Деккер создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

В этом же году появились первые технологии создания нанотрубок длиной до 300 нм.

В Японии началась разработка программы Astroboy по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при положительных температурах свыше тысячи градусов. Еще через год (в 1999 году) американские ученые — физик Марк Рид и химик Джеймс Тур — разработали единые принципы манипуляции одной молекулой и целой цепочкой.

В 2000 году немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировал немецкий автоконцерн Volkswagen.

В 2003 году профессор Фенг Лью (Feng Lu) из университета штата Юта (США), взяв за основу наработки Ф. Гиссибла и используя атомный микроскоп, построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.