Большая часть нанонауки и большая часть нанотехнологий связана с производством новых или улучшенных материалов. Наноматериалы могут быть созданы с помощью методов «сверху вниз», когда очень маленькие структуры производятся из более крупных кусков материала — например, путем травления на поверхности кремниевого микрочипа может быть изготовлена интегральная схема.
Наноматериалы также можно строить «снизу вверх» — атом за атомом или молекула за молекулой. Одним из способов этого является самосборка, когда атомы или молекулы самоорганизуются в соответствии со своими естественными свойствами. Например, при изготовлении полупроводниковых кристаллов происходит самосборка за счет синтеза больших молекул. Второй способ – инструментальное расположение каждого атома или молекулы в отдельности. Хотя такая «укладка» обеспечивает гораздо больший контроль над изготовлением материала, в настоящее время она значительно сложнее и непригодна для промышленного применения.
30 лет назад был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)*, а через четыре года появился первый атомно-силовой микроскоп (АСМ)**. Именно с этого времени началась нанонаука и нанотехнологии. Различные возможности сканирования образцов с помощью этих микроскопов лежат в основе многих направлений современных исследований.
Современные применения наноматериалов включают очень тонкие покрытия (нанопокрытия), которые используются, например, в электронике или в области активных поверхностей (например, самоочищающиеся окна). В большинстве применений наночастицы фиксируются или внедряются в материал (например, пропитка бетонных поверхностей), но в других случаях используются свободные наночастицы — в косметике или экспериментальных применениях для восстановления окружающей среды. Чрезвычайная точность производства дает значительные преимущества в самых разных отраслях промышленности — производстве компонентов для информационных и коммуникационных технологий, автомобильной и космической промышленности и т. д.
* Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — это тип микроскопа, который позволяет изучать поверхности на атомарном уровне. СТМ исследует плотность состояний в материале, обнаруживая туннельный ток. Современные СТМ имеют разрешение около 0,1 нм по ширине и 0,01 нм по глубине.
** Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии зонда (тонкого лезвия) с поверхностью исследуемого образца. Это взаимодействие выражается в притяжении или отталкивании зонда от поверхности за счет сил Ван-дер-Ваальса. С помощью специальных лопаток можно изучать электрические и магнитные свойства поверхностей. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, АСМ также может измерять рельеф образца, погруженного в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами, в том числе с ДНК. Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от радиуса кривизны лезвия и по вертикали достигает атомных размеров,