На протяжении второй половины 20 века развивались как технологии миниатюризации (в микроэлектронике), так и средства наблюдения за атомами. Основные вехи микроэлектроники таковы:

1947 - изобретение транзистора;

1958 - появление микросхемы (это когда транзисторы, резисторы, диоды, соединительные провода размещаются на одном кристалле полупроводника, "подложке");

1960 - технология фотолитографии, промышленное производство микросхем;

1971 - первый микропроцессор фирмы "Интел" (2250 транзисторов на одной подложке);

1960-2008 - действие "закона Мура" - количество компонент на единице площади подложки удваивалось каждые 2 года.

Дальнейшая миниатюризация упёрлась в пределы, задаваемые квантовой механикой. Что касается микроскопов, то интерес к ним понятен. Хотя рентгеновские изображения и помогли "увидеть" много интересного - например, двойную спираль ДНК - микрообъекты хотелось разглядеть получше. Здесь хронология такова:

1932 - Э.Руска изобрёл просвечивающий электронный микроскоп. По принципу действия он похож на обычный оптический, только вместо фотонов - электроны, а вместо линз - магнитная катушка. Микроскоп давал увеличение в 14 раз.

1936 - Э.Мюллер предложил конструкцию автоэлектронного микроскопа с увеличением более миллиона раз. По принципу действия он похож на театр теней: на экране высвечиваются изображения микрообъектов, расположенных на острие иглы, излучающей электроны. Однако, дефекты иглы и химические реакции не давали возможности получить изображение.

1939 - Просвечивающий электронный микроскоп Руски  стал увеличивать в 30 тысяч раз.

1951 - Мюллер изобрёл автоионный микроскоп и получил изображение атомов на острие иглы.

1955 - Первое в мире изображение отдельного атома, получено автоионным микроскопом.

1957 - Первое в мире изображение отдельной молекулы, полученное автоэлектронным микроскопом.

1970 - Изображение отдельного атома, полученное просвечивающим электронным микроскопом.

1979 - Бинниг и Рорер (Цюрих, IBM) изобрели сканирующий туннельный микроскоп с разрешающей способностью не хуже вышеупомянутых. Стало возможным наблюдение объектов не только в вакууме, а в газах и жидкостях (здравствуй, микробиология!); плюс к тому, микроскоп давал истинно трёхмерную картину рельефа поверхности.

Об этом микроскопе стоит сказать подробней. Во-первых, в отличие от предшествующих, изображение создаётся компьютерной программой по сигналам от иглы, "ощупывающей" поверхность. 

Во-вторых, процесс ощупывания основан на существенно квантовом туннельном эффекте. Игла микроскопа медленно движется над "осматриваемой" поверхностью со сложным рельефом. По мере приближения иглы к поверхности возрастает вероятность того, что электроны с острия иглы будут проскакивать ("туннелировать" :-)) через энергетически запрещённую область между иглой и поверхностью - возрастает электрический ток через иглу. Электроника отслеживает изменение тока и посылает сигнал на компьютер, формирующий изображение, а также автоматически приподнимает иглу - движение иглы повторяет рельеф поверхности.

Но самое главное - это "в-третьих". Известно, что процесс наблюдения за квантовым объектом невозможно отделить от процесса взаимодействия с ним. Поэтому воздействием иглы микроскопа на наблюдаемые объекты, вообще говоря, нельзя пренебречь. Однако, у такого воздействия обнаружились достоинства, с лихвою компенсирующие недостатки. Оказалось, что иглой микроскопа можно цеплять и двигать молекулы; или, скажем, надавливая на молекулу, можно менять её электрическое сопротивление! В дополнение к бурно развивающемуся процессу миниатюризации (см. выше) появилась возможность развивать технологию манипулирования отдельными атомами, собирать из них нанодетальки (у фантастов даже появилось словечко "наноассемблер"). Такой подход, в корне отличающийся от миниатюризации, поначалу получил название "нанотехнология" (единственное число!). (Технологии миниатюризации основаны на манипуляциях с веществом как с непрерывной средой. В конце 1980-х считалось, что нанотехнолог - это не скульптор, убирающий лишнее с нанодетальки или напыляющий тончайшие покрытия, а конструктор, собирающий нанодетальки из отдельно взятых атомов.)  Однако, в результате политических баталий 1990-х "нанотехнологий" стало много, а та самая прежняя "нанотехнология" стала лишь одной из них, мы будем называть её "механосинтезом". А о политике речь пойдёт в моей следующей статье.

Пока же я попрошу у утят ещё немного внимания и постараюсь объяснить физический смысл понятия "наномасштаб" и почему так важно подниматься "со дна".

Мы хорошо знаем, что энергия отдельного атома может принимать строго определённый набор значений, а энергия макрообъекта (скажем, кристаллика льда) может быть любой. Сформулируем это поаккуратнее, учитывая принципиальную роль окружающей среды. В случае атома, его обмен энергией с окружающей средой не размывает его уровни. А в случае кристаллика льда энергетических уровней очень много и они лежат настолько близко друг к другу, что кристаллик постоянно "размазан" по многим уровням неизбежными воздействиями окружающей среды. В общем случае, объект можно описывать классической физикой, если у него разница между соседними энергетическими уровнями намного меньше типичной энергии обмена с окружающей средой и квантовой физикой - если намного больше. Когда это величины одного порядка, как это имеет место, например, в случае транзистора в десятки нанометров, то вступает в игру физика наномасштабов (наномасштаб - это 1-100 нанометров). Понятно, что у нанообъектов обмен энергией с окружающей средой в каком-то смысле оптимален.

К наномасштабу можно подбираться от расстояний меньше нанометра (образно говоря, "со дна"). На "дне" - царство квантовой физики, различимы индивидуальные атомы и волны отдельных электронов; состояние системы в целом зависит от каждой отдельной частицы сильней, чем от случайных внешних воздействий. При увеличении размеров системы до десятков нанометров волны отдельных атомов "гасят" друг друга и атомы утрачивают индивидуальность. Влияние каждой отдельной частицы объекта становится меньше влияния флуктуаций окружающей среды. Так выглядит наномасштаб при подъёме "со дна".

Приближение к наномасштабу "сверху", от микронных расстояний, происходит по-другому. Поведение отдельных элементов микросхемы становится малопонятным (например, перестаёт работать закон Ома); возникает принципиально неустранимый "ток утечки", обусловленный туннельным эффектом; сопротивление начинает скачкообразно меняться при изменении толщины проводника и так далее. Квантовые эффекты делают невозможной дальнейшую миниатюризацию традиционными способами. Однако, в связи с изобретением туннельного микроскопа появилась надежда, что, орудуя "на дне", можно превратить непреодолимые ограничения в новые возможности - это и обусловило интерес к нанотехнологиям.