Не только размер имеет значение
Приставка нано-, то есть переход к очень маленьким размерам, принципиально изменяет свойства материалов. Колоссальную роль начинает играть поверхность, в которой нарушаются симметрия и тип связей между атомами вещества. В наночастице количество атомов на поверхности ненамного отличается от количества атомов в объеме частицы. Так, для наночастиц золота диаметром 3 нм половина всех атомов лежит на поверхности, диаметром 10 нм — 17%, а для 100 нм — около 2%.
Другое важное отличие наночастиц от макроскопических материалов связано с усилением роли квантовых эффектов. Согласно квантовой теории, каждая частица одновременно имеет и волновые свойства: например, электрон в кристалле можно рассматривать не только как заряженный шарик, переносящий электрический ток, но и как волну, бегущую по кристаллу и отражающуюся от его поверхности. Точно так же упругие колебания атомов кристалла имеют свойства и волн, и частиц-фононов.
При размере частицы порядка нанометров квантовые эффекты становятся более выраженными, поскольку частицы вынуждены ограничивать свое движение. Такое ограничение получило название «квантовый конфайнмент». Так, в результате эффектов квантового ограничения наночастицы благородных металлов, немагнитных в массивном состоянии, становятся магнитными. Возникновение уникальных свойств наноматериалов по сравнению с массивными аналогами обеспечивает множество новых приложений.
Некоторые авторы связывают первые реальные шаги нанонаук с важнейшими открытиями 1980-х годов — это открытие квантового эффекта Холла в двумерном электронном газе, изобретение сканирующей туннельной микроскопии, открытие фуллерена как новой формы углерода. Последние два события в течение нескольких лет привели к изобретению атомно-силового микроскопа, а в начале 1990-х годов — к выдающемуся открытию углеродных нанотрубок, которые вскоре стали стартовой площадкой для современных технологий. Все эти достижения, связанные с двумерными материалами, отмечены Нобелевскими премиями. В этом ряду находится разработка нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым полупроводниковых гетероструктур, основанных на нанослоях полупроводника.