nano_book[1]

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

емые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов. Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические ма териалы, в матрице которых беспорядочно распределены ульт радисперсные металлические частицы.

Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или меди) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобиль ных и других двигателей непосредственно в процессе работы.

Ультрадисперсные материалы обычно не встречаются в природе в свободном состоянии, а представляют собой искус ственный продукт. В настоящее время существует большое ко личество способов измельчения веществ, например: механи ческое дробление (для получения различных порошков), реза ние (получение стружки), измельчение в шаровых, вибрацион ных и вихревых мельницах, измельчение ультразвуком и др.

Наночастицы производятся и при помощи нанотехноло гии, в частности, туннельно зондовыми методами, использую щими “умение” современных сканирующих микроскопов ма нипулировать отдельными атомами. И, конечно же, большие успехи в этом направлении будут достигнуты после создания ассемблеров сборщиков атомных структур.

Подробному обсуждению свойств и эффектов, присущих наночастицам, посвящена отдельная глава “Нанохимия и наноматериалы”.

Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

Благодаря прорыву в области производства микроскопов современные ученые могут манипулировать атомами и распо лагать их так, как им заблагорассудится. Такого еще не было за всю историю развития человечества!

Идеальная техническая система – это система, масса, габа риты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способ ность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный случай идеализации техники заключается в уменьшении её раз меров (вплоть до полного “исчезновении”) при одновремен ном увеличении количества выполняемых ею функций. В иде

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

але – технического устройства не должно быть видно, а функ ции, нужные человеку и обществу, должны выполняться. Закон увеличения степени идеальности гласит: развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

На практике хорошей иллюстрацией этого закона может служить постоянное стремление производителей микроэлект роники и бытовой техники к миниатюризации, созданию уст ройств всё меньших размеров со все большими функциональ ными возможностями. Взять, например, те же сотовые телефо ны или ноутбуки: размер все уменьшается, в то время как функ циональность только растет.

Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И возможно, не последним: за областью нановеличин лежат области пико (10 12), фемто (10 15), атто (10 18) и т.д. вели чин с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами…

В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покры тий, "умной одежды" и упаковок, позволяющие дольше сохра нять свежими продукты питания. . Однако ученые предсказы вают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком буду щем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.

Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности че ловеческим клеткам.

Уже создаются и будут создаваться устройства, функцио нальные возможности которых определяются необычными свойствами новейших материалов. Благодаря обработке на атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улуч шенными свойствами, постепенно становясь все легче, проч нее и меньше по объему. Согласно прогнозам большинства уче ных, это произойдет уже через 10 15 лет.

Как уже говорилось. возможности использования нанотех нологий неисчерпаемы начиная от микроскопических компь ютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобиль ными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, од нако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие

44

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энер гии и печальные последствия Чернобыльской аварии или траге дию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должны четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование всего человечества и планеты в целом.

В связи с этим становится понятно, почему с самого появ ления нанотехнологии её развитию мешают страхи, часть кото рых однозначно относится к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания. К сожале нию, обсуждение этих проблем выходит за рамки книги. Поэ тому, дабы не вводить читателя в заблуждение и позволить ему самостоятельно сделать выводы, в этой главе мы отдельно рас скажем о тех перспективах и возможностях, которых мы вправе ожидать от нанотехнологий, а затем кратко опишем возможные проблемы и опасности, связанные с их развитием.

Небывалые возможности

Медицина

Медицина изменится неузнаваемо. Во первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с мет ками идентификаторами смогут доставлять лекарства непосред ственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут конт ролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями.

Представьте себе, что вы подхватили грипп (при этом вы даже еще не знаете, что его подхватили). Тут же среагирует сис тема искусственно усиленного иммунитета десятки тысяч на нороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внут ренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет! Или у вас начался ранний атеросклероз искусственные клетки начинают чистить меха ническим и химическими путями Ваши сосуды .

Во вторых, возможно создание нанороботов врачей, спо собных “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникнове

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ние. Последовательно проверяя и, если надо, “исправляя” моле кулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Теоретичес ки это позволит человеку жить сотни, а может быть, тысячи лет.

В третьих, появится возможность быстрого анализа и мо дификации генетического кода, простое конструирование ами нокислот и белков, создание новых видов лекарств, протезов, имплантантов. В этой области рядом исследователей уже про водится проверка различных наноматериалов на совмести мость с живыми тканями и клетками.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почто вую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устрой ство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.

Нужно отметить, что появление высоких технологий из за их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых проблем, в том числе морально этического свойства, связан ных с наличием и доступностью медицинских услуг для широ ких слоев населения. Тем не менее, как бы сильно ни развива лась научно техническая основа медицины, главными факто рами исцеления больного всегда были и останутся профессио нальная подготовка, этические и человеческие качества врача.

Материаловедение

Качество многих привычных материалов может быть повы шено за счет использования наночастиц и атомарной обработ ки. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные композитные (смешанные, сложносоставные) мате риалы. Появятся так называемые “умные” материалы, способ ные изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида), которые могут использовать ся в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Электроника, компьютерные технологии, робототехника

С появлением новых средств наноманипулирования воз можно создание механических компьютеров, способных в кубе

46

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Рис 23. Медицинские нанороботы в представлении художников

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

с ребром 100 нм функционально повторить современный мик ропроцессор Intel Pentium II.

Применение нанотехнологий в микроэлектронике (т.е. теперь уже наноэлектронике) позволит перейти от планарной техноло гии изготовления процессоров (с количеством транзисторов 108 шт. на см2) к 3D технологии, то есть к 1012 транзисторов на см3 со ответственно, что в 10 тыс. раз больше, чем на современном этапе.

Развитие методов атомно силовой микроскопии может обеспечить производство памяти с поверхностной плотностью данных до 17 терабит/см2. Это позволит создать компьютеры и микропроцессорные системы гораздо большей производитель ности, чем существующие сейчас.

В 2002 году компания HP создала память с электронной ад ресацией, имеющую на сегодняшний день наибольшую плот ность данных. Опытный лабораторный образец 64 битной па мяти использует молекулярные переключатели (ключи) как ак тивные устройства и по размерам не превосходит квадратного микрона. Эта область настолько мала, что больше 1000 таких устройств может поместиться на торце человеческого волоса. Плотность битов в устройстве более чем в 10 раз больше, чем в современных кремниевых аналогах.

С течением времени предполагается дальнейшее уменьше ние компьютерных компонентов с помощью нанотехнологии. Это приведет к оснащению практически всех бытовых уст ройств встроенными компьютерами.

Планируется создание нанороботов размером всего 1 2 мик рон, оснащенных бортовыми механокомпьютерами и источни ками энергии, которые будут полностью автономны и смогут вы полнять разнообразные функции, вплоть до самокопирования.

На основе нанотрубок уже сейчас создают детали нанома шин – подшипники, передачи. Создание наномоторов на осно ве АТФ (универсального аккумулятора и переносчика энергии во всех биологических системах) позволит приводить в движе ние нанороботов, а развитие беспроводной лазерной связи поз волит управлять ими и служить “энергопроводом”.

Микроскопия и средства визуализации

Если на сегодняшний день основными средствами визуа лизации являются СЗМ – сканирующие зондовые микроско

48

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

пы, то с появлением нанороботов откроются новые возможнос ти в наноманипулировании, сканировании и средствах визуа лизации макромолекулярных структур, поскольку можно будет обрабатывать их с атомарной точностью.

Социальные последствия

По прогнозам экспертов Национальной нанотехнологи ческой инициативы США, развитие нанотехнологий через 10 15 лет позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в $1.000.000.000.000 и миллионы рабочих мест.

Принципиально иным станет образование. Дети получат кар манные наноконструкторы, создающие движущиеся модели жи вотных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Соответственно, изменится и сам подход к обучению, традиционная безличная классно урочная система канет в прош лое, изменятся учебные программы. Игровые и учебные нанома шины откроют доступ к мировым знаниям, разовьют по индиви дуальной программе умственные способности каждого ребенка.

Труд в современном смысле, то есть “в поте лица”, который с незапамятных времен был главным содержанием жизни, переста нет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимос ти, цены, денег. Зато повысится, вероятно, стоимость идеи конструкции определенной вещи для построения ее ассемблерами.

Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая утопия, но не из тех, где да ется рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. На оборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, сво бодно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.

Домашний быт и сельское хозяйство

Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут производить пищу, "освободив" от этого растения и животных. С этой целью они будут использовать любое “подножное сырье”: воду и воз дух, где есть главные нужные элементы – углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний, а остальные, как и для “обыч ных” живых организмов, потребуются в микроколичествах.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову. Челове ку не придется убивать животных, чтобы полакомиться жаре ной курочкой или копченым салом. Предметы потребления бу дут производиться “прямо на дому”.

Промышленность и космонавтика

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассембле ры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически воз можно, что они будут способны конструировать из готовых ато мов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов.

В своих “Машинах созидания” Дрекслер описывает, как примерно будет выглядеть создание, или точнее говоря “выра щивание” ракетного двигателя:

“Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы на полняют его вязкой жидкостью, содержащей миллионы ассембле ров, запрограммированных на функции сборщиков двигателя.

В центре подложки находится “зародыш” нанокомпью тер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеется участок, к которому могут “прилипать” сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему пространственном положе нии относительно зародыша и приказ захватить своими мани пуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру “зародыша” и получают анало гичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает не кое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими под робностями очерчивающей форму будущего двигателя.

Снова включаются насосы, и взвесь в баке заменяет сбор щиков раствором строительных материалов – триллионами атомов различных химических элементов. Компьютер зароды ша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.

50

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содер жащей “топливо” и исходные материалы и выносящей из рабо чей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компь ютер зародыша, передает команды каждому строителю. Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия созда ются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех мес тах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему буду щего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, комп рессоры, датчики и т.д. На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания.

На что похож этот двигатель? Это уже не массивный кусок сваренного и скрепленного болтами металла, он без швов, по добный драгоценному камню. Его пустые внутренние ячейки, построенные в ряды, находящиеся примерно на расстоянии длины волны света друг от друга, облегчают структуру, уже сде ланную из самых легких и прочных известных материалов. В сравнении с современными металлическими двигателями этот усовершенствованный двигатель будет легче боле, чем на 90%.

Он выдерживает длительное и интенсивное использование, потому что состоит из более прочного материала. Поскольку ассемблеры позволили проектировщикам делать материал дви гателя таким, что он при нагрузке течет прежде, чем ломается, двигатель не только прочен, но и износостоек.

При всем своем превосходстве, этот двигатель, в общем то, вполне обычен. В нем просто заменили плотный металл тщатель но устроенными структурами из легких, прочно связанных атомов.

Но это все еще самые простые возможности нанотехно логии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависи мости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью.

Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон) расширяться, сжиматься и изгибаться,

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час.

Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обес печивающая круговорот веществ, позволит человеку находить ся в нем неограниченное время, к тому же превратит оболочку скафандра в “умножитель силы”.

Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных сис тем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самос борки может привести к решению глобальных вопросов чело вечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. В освое нии космоса начнется новая эра.

Космический лифт

Тот, кто думает, что с помощью нанотехнологии можно соз дать только что то субмикроскопическое, невидимое для челове ческого глаза, вероятно, будут удивлены проектом, разрабатыва емым в последнее время специалистами из NASA и привлекшим столько внимания со стороны ученых и широкой общественнос ти. Речь идет о проекте так называемого космического лифта.

Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана.

Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Ци олковский, основоположник современной космонавтики. Он указывал на то, что принцип, положенный в основе современ ного ракетостроения, не позволяет современным ракетоноси телям быть эффективным средством для доставки груза в кос мос. Причин тому несколько:

Во первых, КПД современных ракет очень низок из за то го, что львиная доля мощности двигателей первой ступени ухо дит на работу по преодолению силы земного тяготения.

Во вторых, известно, что значительное увеличение массы топлива в несколько раз даёт лишь небольшой прирост скорости

52