11. Нанотехнология и вы

НАНОТЕХНОЛОГИЯ: ЗДЕСЬ И СЕЙЧАС

На что будет похож расцвет нанотехнологии? Как ее разви­тие действительно затронет повседневную жизнь? Создание суперскоростных компьютеров, механических частей, разме­ром с молекулу, и сверхпрочных материалов — все это хорошо, но что это в конечном счете означает для меня и моей жизни?

Данные вопросы задают люди, которые видят взлет нано­технологии, но не являются "технофилами" и не занимаются долгосрочным планированием. Упоминание нанотехнологии в прессе растет по экспоненте (см. рис. 5.4), но когда нанотех­нологии действительно войдут в нашу жизнь и станут не про­сто "следующей великой вещью", а текущей?

В определенном смысле ответ — "сейчас". Первоначальные основоположные идеи нанотехнологии сформировались лет 20 назад, но первые изобретения, вдохновленные наноидеями, уже находятся на полках магазинов. Даже при этом первое по­коление нанотоваров является просто намеком на будущее.

Нанотехнология сделала свое присутствие в промышленно­сти осязаемым на некоторое время, и многие ее сферы примене­ния уже стали привычными. В качестве примера приведем переработку нефти в США. Цеолиты и молекулярные сита, рассмотренные в главе 6, теперь позволяют получить на 40 % больше бензина с барреля чистой нефти, чем давали прежние катализаторы. Данная технология впервые была разработана компанией Mobil и по некоторым оценкам позволяет только в США сэкономить 400 миллионов баррелей нефти в год (по­рядка 12 млрд. долл.). Поскольку данный подход уже использу­ется много лет, не думайте, что в скором времени он приведет к падению цен на бензин (хотя так было в первое время после его внедрения). Даже при этом цеолиты демонстрируют, как существенно может быть использование нанотехнологий.

Итак, какие формы нанотехнологии наиболее вероятно уда­стся увидеть и пощупать? Возможно, первыми в списке товаров народного потребления являются такие интеллектуальные материалы как обшивки и покрытия, которые окружают нас повсеместно. Это тонкие слои различных материалов, спроектиро­ванных в наномасштабе для улучшения других продуктов. Например окна в серии автомобилей Audi А4 покрыты многослойным стеклом, задерживающим вредное ультрафиолетовое излучение, которое может привести к раку кожи. Кроме того, Институт новых материалов в Германии производит окна, со­держащие нанослой материала, который при повороте выклю­чателя меняется от прозрачного до темно-синего. Данный под­ход можно использовать как альтернативу оконным шторам или тонированию, и некоторые поставщики в настоящее время по­крывают окна и другие поверхности сверхпрочными слоями с сопротивлением царапанью, что скоро сделает закрывание машины на ключ устаревшим понятием.

Помимо окон, немецкие и японские производители, такие как Nanogate Technologies, начали продавать плитку для ку­хонь и ванных комнат, которая не загрязняется, поскольку грязь и частицы песка не могут прилипнуть к покрытию почти так же, как пища не может приклеиться к тефлоновой сково­родке. Данную самоочищающуюся плитку можно также обо­гатить биологическими (антибактериальными) наночастицами, которые будут препятствовать росту гнили и грибков, на­водняющих туалеты. Данная плитка может положить конец такому неприятному занятию, как мытье туалета, - одного этого достаточно, чтобы нанотехнологии получили всеобщую поддержку.

Однако изначально поддержка нанотехнологий была вы­звана не этим; ее создали группы, подобные компьютерным энтузиастам. Данная поддержка возникла не только потому, что пользователи компьютеров восторгаются всеми новыми и развивающимися технологиями, но и потому, что нанотехнология предлагает миру компьютеров так много. Даже для тех, кто не слишком хочет видеть квантовый компьютер у себя на рабочем столе, вскоре будут доступны очень впечатляющие продукты. Вы вряд ли купите компьютер с процессором "Pentium-DNA" на ближайшее Рождество, но уже можно за­казывать некоторые новые компьютерные дисплеи.

Дисплеи уже несколько лет находятся в фокусе внимания людей, занимающихся конструированием вычислительной техники. На место низкоскоростных, неуклюжих, похожих на телевизор, электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) пришли жид­кокристаллические (ЖК) дисплеи с плоским экраном. ЖК- дисплеи потребляют меньше энергии, от них меньше устают глаза, и они компактнее, чем ЭЛТ-мониторы. В то же время видимая область ЖК-монитора обычно меньше, чем у ЭЛТ- мониторов (немногие из них превышают 24 дюйма), их изо­бражения обычно менее яркие, и на них нельзя смотреть под углом — только прямо. Кроме того, обновление изображений в ЖК-дисплея происходит реже, что может привести к неста­бильному изображению в анимации или видео. И тут на гори­зонте появляются дисплеи на светодиодах.

Светодиоды видели все. Это яркие светящиеся точки, кото­рые часто используются на электронных устройствах как инди­каторы питания и состояния или как лампы подсветки. Используя нанотехнологии, данные суперяркие маленькие огоньки можно теперь интегрировать на панель, достаточно плотно, что бы использовать в качестве дисплея. Помещая их в кластеры из трех диодов (красный, зеленый, синий) и управляя интенсивно­стью смеси, можно получить любой цвет. Дисплеи на светодиодах имеют тот же размер, что и ЖК-дисплеи, но ярче даже, чем ЭЛТ, и разрешают гладкую четкую анимацию. Кроме того, по­добно ЖК-дисплеям и в отличие от ЭЛТ-дисплеев, дисплеи на светодиодах не требуют аналого-цифрового преобразования изображений (процесс, который снижает точность воспроизве­дения изображения). В то же время, дисплеи на светодиодах ис­пользуются уже некоторое время, например, с их помощью со­оружен знак биржи NASDAQ на Таймс-сквер, который содер­жит около 19 миллионов отдельных светодиодов. Нанотехноло­гия добавляет возможность миниатюризации, что позволяет собрать светодиоды в кластеры с управляемым цветом и упако­вать достаточно плотно, чтобы создать изображение, гладкое для человеческого глаза.

Нанотехнология также позволяет улучшить почтенные ЭЛТ. Используя нанотрубки для замены электронных пушек, такие производители, как Samsung, сократили эти экраны и снизили энергопотребление. В настоящее время экраны мо­гут быть достаточно маленькими, светлыми и эффективными, чтобы использовать в портативных компьютерах.

Другая технология вывода на дисплей, которую один из ее разработчиков (ирландская компания Ntera) назвал NanoChromics, а другой (Е Ink) — электронными чернилами, вдохнула новую жизнь в идею 1990-х, которая тогда была нереальной, цифровую бумагу. Изначально идея заключа­лась в создании ручных компьютеров со сверхтонкими экра­нами, которые можно было бы держать в руках и читать как книгу. На эти компьютеры можно переносить цифровые файлы, т.е. хранить необходимое количество книг и доку­ментов, и со временем мир отказался бы от использования бумаги. Однако данные дисплеи имели ряд недостатков: они были энергоемкими, громоздкими и никогда такими прият­ными на вид, как бумажное изображение (разрешение экрана обычно в 4 раза меньше, чем разрешение печатных образов). Нанотехнология это изменила: в некоторых новых цифровых дисплеях-бумаге используются те же химические препараты, что и в бумаге, и создается ощущение, что в руках находится обычная книга, а элементы изображения, или пиксели, бистабильны, так что после того, как они запрограммированы ото­бражать определенное изображение, они поддерживают его без использования дополнительной энергии. Хотя люди по многим причинам могут отдавать предпочтение бумажным книгам, цифровая бумага может все же сыграть важную роль в определенных сферах, поскольку стоимость широкофор­матной печати, исправления ошибок и морских перевозок остается высокой.

Нанотехнология сейчас вошла в области традиционных вы­соких технологий. "Нано" сейчас в моде. Достижения в сфере молекулярных композитных матералов позволили таким компаниям как Nano-Tex, создать новое поколение тканей и одежды. Материалы, почти совершенно нечувствительные к пятнам, и материалы, объединяющие удобство хлопка или натуральных волокон с прочностью и выносливостью синтетики (нейлона) уже ворвались на рынок в продуктах от Eddie Bauer, Lee Jeans и предка Nano-Tex — Burlington Industries. В другие изделия, основанные на нанотехнологиях, встроены те же типы биоаген­тов, что и во всегда чистые плитки туалета. Данные изделия мо­гут широко использоваться в больницах, где распространены патогены, и пациенты подвергаются риску заразить друг друга.

Другой отраслью промышленности, в которой находит при­менение новая технология, является спортивное оборудование. Углеродное волокно и графитные композиты уже дебютирова­ли в облегченных мотоциклах и парусниках America's Cup. Стекловолокно и пластик используются для создания лучших налокотников и наколенников для хоккея и американского футбола. И сейчас нанотехнологии заняли площадку на поле. Для продления срока службы теннисных мячиков Double Core (Wilson) используется нанокомпозитный клей (согласно документам Wilson жизнь мячика увеличивается в 2-4 раза, в на­стоящее время они являются официальными мячами Кубка Дэвиса), а компания Babolat представила теннисные ракетки со сверхпрочными нанотрубками, имеющие повышенное сопро­тивление кручению и изгибу. Нанотрубки, очевидно, найдут широкое применение в спортивном оборудовании, когда их цена упадет (на подходе клюшки для гольфа с улучшенными за счет нанотрубок свойствами), но сейчас мы в основном наблюдаем их с трибун в руках профессионалов.

Последней областью, в которой нанотехнология действи­тельно блещет, является медицина. Хотя медицина традицион­но не рассматривается как потребительский рынок, нанотехно­логии могут это изменить. Домашние тесты на беременность уже демонстрируют такие улучшения, как легкость использова­ния, быстрота результатов и общая точность, поскольку в их разработке стали использовать наночастицы, кроме того, стали реальными другие домашние тесты. Некоторые ученые надеют­ся увидеть тесты на все, от сибирской язвы до СПИДа, ставшие, благодаря нанотехнологиям, достаточно простыми для домаш­него использования, а такие вещи, как скобки и протезы уже приковывают внимание производителей нанотехнологий.

В конечном счете, многие обещания нанотехнологии отно­сятся к будущему, но она уже сейчас вошла в нашу жизнь че­рез наши дома, компьютеры, игры и даже тела. Эра нанотехнологий уже настала.

НАНОЭТИКА: ВЗГЛЯД НА ОБЕЩАНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ

При выходе нанотехнологии на большую сцену, когда ее обещания начали становиться реальными, возникло несколько вопросов, касающихся этики, государственной политики, за­конности и общественной жизни. Большинство вопросов не новы, но нанотехнология иначе расставила акценты в них.

Возможно, наиболее важен на ближайшее время вопрос па­тентов. Биотехнология и фармацевтика получит большую прибыль от нанотехнологии, поскольку именно в наномире можно создать многие лекарства от страшнейших болезней. При существующих во многих странах законах компании-разработчики и исследовательские компании могут патенто­вать медикаменты, а также генетические структуры и техноло­гии синтеза. Исследователи защищают свои изобретения па­тентом по тем же причинам, что и другие фирмы в других от­раслях, — чтобы поощрять инновации и позволить вернуть деньги, потраченные на исследования, разработку и тестиро­вание продуктов.

Данная схема имеет определенные плюсы. Фармацевтиче­ские исследования очень дорогие и рискованные. Некоторые кажущиеся эффективными медикаменты перед началом про­изводства проходят строгие процессы принятия и патентова­ния и в конечном итоге поступают в больницы и аптеки. Производители генетических медикаментов могут избежать огромных трат, отказавшись от этапа патентирования и выйдя непосредственно на рынок, создав недобросовестную конку­ренцию. В то же время многие врачи, правительства и соци­альные организации доказывают, что такие патенты не только позволяют разумно вернуть затраты на разработку медика­мента, но и хранят исследования в тайне, так что они не могут использоваться для побуждения дальнейших исследований, т.е. используются для наживы больших международных фар­мацевтических компаний. Один подобный случай связан с "коктейлем" из нескольких лекарственных препаратов, пред­назначенным для больных СПИДом. В 2001 году объем пре­парата для годового курса лечения одного человека в США стоил примерно 10 000 долларов. Данная цена делала его не­доступным для жителей стран Африки и Южной Америки, где средний доход составляет примерно несколько тысяч долла­ров в год. Производители генетических медикаментов в дру­гих странах (например, компания Ciplaв Индии, в настоящее время признанная Всемирной организацией здравоохранения) выпускали лекарство за меньшую цену, что позволило Брази­лии реализовать одну из наиболее успешных в мире программ борьбы со СПИДом. Хотя это может казаться победой — оче­видно, что все хотят побороть СПИД, — но владельцы патента начали протестовать и попытались чинить препятствия произ­водителям генетических материалов. Они заявляли, что не смогут продолжать исследования новых медикаментов (лекарств), если не вернут потраченные деньги.

Подобный случай произошел после 11 сентября, когда пра­вительства приобретали большие объемы ципрофлоксацина, антибиотика, используемого для лечения сибирской язвы. Владелец патента Bayerзначительно снизил цену при постав­ках правительству США, но другие производители, такие какApotex(Канада) все еще предлагали лекарство дешевле, хотяBayerпытался препятствовать им. При изучении данных си­туаций возникает вопрос, должны ли (а если да, то когда) здо­ровье и польза ставиться выше патентов и других ограниче­ний. Если нанотехнология начнет предлагать лекарства от рака или даже позволит создать универсальные антивирусы, данные вопросы станут первостепенными.

Помимо проблем с патентами, нанотехнология имеет обще­ственные и геополитические последствия. Первая промыш­ленная революция существенно отделила экономику развитых стран и экономику стран третьего мира. Это частично вызвано тем, что промышленные страны могут производить товары дешевле и разнообразнее. Вообще, существует огромный барьер при входе в мир индустриализации - для этого страны должны вложить деньги в образование, инфраструктуру, по­литическую, правовую реформу и современные средства про­изводства. Столицы стран с соответствующими тенденциями в основном уже относятся к промышленным; в результате раз­вивающиеся экономики обычно есть у уже богатых стран. На­нотехнологии могут, в принципе, увеличить это разделение на бедные и богатые страны. Они могут даже лишить преимуще­ства страны, богатые такими природными ресурсами как нефть, поскольку позволят дешевый синтез материалов и пре­образование солнечной энергии. Возможен и альтернативный сценарий: если производство нанотехнологий окажется де­шевле и легче распространяемым, чем производство современных промышленных технологий (как было с информаци­онными технологиями), они могут сократить разрыв между бедными и богатыми или по крайней мере позволить людям всего мира удовлетворить основные потребности.

На техническом фронте нанотехнологии уже поразили многих своим потенциалом в сфере защиты и нападения. Это может включать лучшую броню и улучшенную связь в боевых условиях. Однако каждая разработка имеет обратную сторону, которую также стоит изучить. Например, такие сверхпрочные наноматериалы, как нанотрубки, изначально построены из атомов углерода. Это означает, что их нельзя обнаружить, используя металлоискатели или химические "носы". Единствен­ный путь обнаружения человека, проносящего подобное ору­жие на самолет или в здание, — тщательный обыск. Возможны и другие, еще более мрачные прогнозы, пришедшие со страниц научной фантастики. Например, некоторые организации мо­гут создать вирусы, которые поражают людей только со спе­цифическими генетическими характеристиками или даже настроить вирус на конкретного человека. Насколько возможна такая точность, пока не ясно, но очевидно, что перспективы открываются достаточно мрачные. В нанотехнологии, в отли­чие от современной сферы биологического оружия, нет при­чин верить, что исследователю необходим доступ к ограни­ченным вирусным штаммам или охраняемым материалам. Потенциально он может создать подобные вирусы практически из ничего, так как сырье для производства наноматериалов не настолько редкое, как обогащенный уран.

Данные кошмарные сценарии кажутся притянутыми за уши и маловероятными, но в целом вопрос работы на том уровне, на котором создается жизнь, порождает внутренние этические проблемы. В настоящее время уже многое неясно, в сфере клонирования человека и животных. Также ведутся дебаты насчет того, можно ли убить дозародышевую жизнь, чтобы создать лекарства, которые могут продлить жизнь или вылечить людей с болезнями Альцгеймера, Паркинсона и дру­гими. Возникающие в результате жаркие дебаты (в частности, с участием церковных лидеров) показывают, что нано- и биотехнологии значительно сложнее, чем синтез новых элементов, поиск новых планет или даже новых ядерных реакций. И это только первые ласточки грядущих споров. Передовые технологии ДНК-анализа, разработанные такими компания­ми, как Affymetrix(наWeb-сайте которой, кстати, можно по­участвовать в обсуждении этических проблем) иAgilent, не только помогают найти генетические отпечатки пальцев бо­лезни, но и потенциально позволяют наблюдать за здоровым плодом или отслеживать индивидуальную предрасположен­ность к болезни. Подобная информация, очевидно, заинтере­сует промышленные компании, а это может вновь разжечь споры насчет абортов, а также насчет права на неразглашение личной генетической информации. Вскоре генная инженерия, пока дошедшая до уровня растений, станет возможной по отношению к человеку, и тут встанет вопрос, насколько мы мо­жем себя "подправить".

Из нанотехнологии вырастают даже еще более футуристические концепции. Возможно, некоторые формы нановычислений (квантовые компьютеры, ДНК-компьютеры, наноэлектронные компьютеры) могут дать истинный искусственный интеллект. Если это произойдет, как к нему относиться? Какие права и при­вилегии дать? А что если он будет самовоспроизводящимся? На­конец, если разница между человеком и компьютером станет та­кой тонкой, что ее будет невозможно различить, что это будет оз­начать для человеческой цивилизации? Как относиться к кибор­гам? Это следующий этап в эволюции человеческой расы? Позволяет ли это "вдохнуть жизнь" в любой орган или тело? Да­же если нановычисления не дадут устройство, которое мыслит, одной из целей нанотехнологии является машина, ломающая коды. Если эти исследования увенчаются успехом, все распростра­ненные формы цифровой криптографии, от тех, что защищают электронный бизнес, до тех, что защищают ядерные секреты, фак­тически исчезнут. Вопрос национальной безопасности и непри­косновенности личной жизни нельзя не рассматривать.

Данные вопросы сложны, и только время покажет, как они решатся. Вообще, этические дебаты вокруг нанотехнологий являются одной из важнейших причин того, что люди должны знать о нанотехнологиях. В настоящее время нанотехнология уже является междисциплинарной наукой. Возможно, объе­динения ученых и инженеров недостаточно, к ним придется присоединить философов, юристов, теологов и политиков.

Ну что ж, теперь вы знаете об обещаниях и потенциальных опасностях нанотехнологий — присоединяйтесь к дебатам!

Несколько хороших ресурсов

Многие Web-сайты содержат информацию о нанотехнологиях и нанонауке. Некоторые из них регулярно обновляются, на них публикуются содержательные отчеты. Многие сайты сенсационные и их нужно рассматривать с известной долей скептицизма. Ниже описываются несколько сайтов, которые авторы посчитали наиболее полезными.

NanotechBook: www.nanotechbook.com.ОфициальныйWeb-сайт данной книги. Здесь представлено множество ссы­лок на другие хорошие сайты, а также список рекомендован­ной литературы и форумы по нанотехнологиям.

Small Times: www.smalltimes.com.Полезный сайт с хо­рошим подбором новостей с акцентом на микроэлектромехани­ческой технике, микросистемах и нанотехнологиях. Также здесь располагается домашняя страница Small Times Stock Index.

Scientific American Nanotechnology: www.sciam.com / nanotech. Данный сайт — великолепный ресурс для относя­щихся к нанотехнологии научных новостей "с переднего края".

The National Nanotechnology Initiative: www.nano.gov.Данный обзор программы федерального правительства по на­нотехнологиям содержит ссылки на некоторые хорошие обра­зовательные ресурсы.

The Nanotechnology Bulletin: www.nanotechbulletin.com.Этот сайт содержит интервью с инициаторами и разра­ботчиками нанотехнологий. Если вам интересно, что говорят об этой области эксперты, обратитесь к данному ресурсу.

The NanoBusiness Alliance: www.nanobusiness.com.Дан­ный сайт поможет интересующимся коммерческой и полити­ческой стороной наноиндустрии. Также здесь указываются со­бытия и конференции, касающиеся нанотехнологий.

Nanotech Now: www.nanotech-now.com.Портал со ссыл­ками на другие хорошие сайты по нанотехнологиям.

Nanotech Planet: www.nanotechplanet.com.Другой хо­роший сайт со ссылками, посвященный соединению нано- и микротехнологий и другим родственным новостям.

ВЛОЖЕНИЕ КАПИТАЛА С РИСКОМ В СФЕРЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнологии начинают привлекать пристальное вни­мание компаний, занимающихся вложением капитала с риском, а некоторые новые фирмы основываются только для того, чтобы вступить в эту игру. Ниже приводится краткий пере­чень фирм, нуждающихся в нанотехнологиях, которые предлагают нанотехнологии или занимаются их рекламой. Этот список не является рекомендацией или рекламой какой-либо фирмы. Фирм существует гораздо больше, и этот список обя­зательно будет расширяться по мере появления практически полезных продуктов.

AGTC Funds: www. agtcfunds. com.

Angstrom Partners: www. angstrompartners. com.

ARCH Venture Partners: www. archventure. com.

Ardesta: www. ardesta. com.

Ben Franklin Technology Partners:

www.sep..benfranklin.org.

Bessemer Venture Partners: www. bvp. com.

Capital Stage Nano: www. capitalstagenano. com/en.

CW Group: eee. cwventures. com.

Draper Fisher Jurvetson: www. drapervc. com.

Evolution Capital: www. evolution-capital .com.

Galway Partners: www. gal way. com.

Harris & Harris Group: www. hhgp. com.

Illinois Partners:www. illinoispartners.com.

Lux Capital: www. luxcapi tal. com.

McGovern Capital: www. mcgoverncapi tal. com.

Morgenthaler Ventures: www. morgenthaler. com.

Polaris Venture Partners: www. polarisventures. com.

Portage Ventures: www. portageventures. com.

Sevin Rosen Funds: www. sevinrosen. com.

Tribal Weave: www. tribalweave. com.

Venrock Associates: www. venrock. com.

Словарь терминов

Примечание:данные определения нельзя назвать исчерпываю­щими. Они являются упрощенными и даны для тех значений слов, в которых они употребляются в данной книге.

Аморфные вычисления.Альтернативная компьютерная архитектура, основанная на очень большом числе (рое) очень простых устройств, а не на малом числе монолитных микро­процессоров. Каждое устройство может выполнять только не­сколько элементарных задач, и сбой каждого не разрушает систему. Роевые алгоритмы сложны и разрабатываются для использования ограниченных возможностей и потенциального сбоя данного вычислительного элемента.

Аморфные полимеры.Полимеры, которые не формируют кристаллической структуры, а являются неупорядоченными в твердой фазе (например, полистирольная чашка).

Антиген.Чужеродная субстанция, которая при введении в тело становится опасной из-за иммунной реакции.

Антитела.Белки, производимые иммунной системой для нейтрализации или уничтожения антигенов.

АП.Автоматизированное проектирование — использова­ние вычислительных алгоритмов и инструментов для проек­тирования переключателей, компьютеров, запоминающих устройств и других технологических устройств.

Атомный микроскоп.Инструмент зондового сканирова­ния, измеряющий силу, которая действует на зонд при его движении либо по поверхности, либо перпендикулярно ей.

Белки.Биологические макромолекулы, собираемые из ами­нокислот. Являются функциональными структурами биологии.

Биодатчик.Структура-сенсор, настроенная на биологиче­ское вещество или основанная на использовании биологиче­ских молекул.

Биоинертные материалы.Материалы, которые не взаимо­действуют с биологической средой. Обычно биоинертные ма­териалы не отторгаются иммунной системой человека.

Биологическая усвояемость.Термин используется для описания локальной усвояемости в таком большом биологиче­ском объекте, как человеческое тело, определенного препарата или молекулы.

Бистабильная система.Система, которая имеет два устой­чивых состояния, как монета, которая может лежать орлом или решкой вверх.

Водородная связь.Специфическая разновидность слабой связи между молекулами, порожденная атомом водорода, на­ходящимся между (скажем) кислородом, с которым ковалентно связан другой кислород, который взаимодействует с ним с более слабой электрической силой. Водородные связи игра­ют важную роль в структуре воды, белков и ДНК.

Восходящее нанопроизводство.Построение наноструктур, начиная с таких малых компонентов, как атомы и молекулы.

Выращивание кристаллов.Формирование кристаллов вы­ращиванием в растворе, разновидность самосборки. Примеры: формирование снежинок в атмосфере и сладких сталактитов из растворов сахара.

Генная терапия. Разновидность ДНК-терапии.

Гигантский магнитный резонанс.Явление, в котором со­противление субстанции очень сильно зависит от применения магнитного поля. В современных магнитных компьютерных запоминающих устройствах используется для создания носи­телей информации со статусом "только чтение".

Гидрофильный.Любящий воду. Так называются материалы или молекулярные структуры, которые сильно взаимодейству­ют с водой и растворяются в ней (например, этиловый спирт).

Гидрофобный. Ненавидящий воду. Так называются материа­лы, не растворяющиеся в воде (например, растительное масло).

Гистамин.Маленькая молекула, которая всегда присутст­вует в теле, и концентрация которой увеличивается в присут­ствии антигенов и антител. Часто гистамины вызывают аллер­гическую реакцию.

Головные группы. Часть структуры некоторых длинных мо­лекул, в которых одну часть можно называть "головой", а дру­гую "хвостом". В мыле, например, гидрофильные головные группы растворимы в воде, а гидрофобные "хвостики" дают рас­творимость в масле и жире.

.Декогерентность.Потеря контролируемой связанности. На­пример, когда два связанных элемента информации (в кванто­вом компьютере) разделяются из-за потери общей фазы, гово­рят, что они декогерируют.

Диэлектрики.Материалы, не пропускающие электричество (например, резиновая оплетка удлинительного шнура).

ДНК-компьютер.Использование процессов скрещивания и воспроизведения ДНК для решения вычислительных задач.

Закон Кулона.Фундаментальный закон электрического взаимодействия: сила взаимодействия двух зарядов прямо пропорциональна их зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

Закон Ома.Фундаментальный закон потока электрических зарядов в макроскопических цепях — сила тока равна отноше­нию напряжения к сопротивлению.

Зеркальное отражение.Метод, позволяющий согласован­но хранить данные на нескольких записывающих устройствах, например, компьютерных жестких дисках.

Импринт-нанолитография.Метод литографии для получения маленьких структур (ранее на микронном, а теперь и на наноскопическом уровне) с использованием определенной штемпельной подушечки, сделанной обычно из пластических материалов.

Инкапсулированные наноматериалы.Структуры, в кото­рых наноматериалы замыкаются во внешнюю капсулу или оболочку.

Инструменты зондового сканирования.Средства для из­мерения и подготовки наноструктур на поверхностях; исполь­зуют взаимодействие структуры сканирующего щупа и нано­структуры на поверхности, которое можно измерить или кото­рым можно управлять.

Ион.Атом или молекула, имеющие электрический заряд.

Искусственный фотосинтез.Применение молекулярной или твердой структуры для имитации природного фотосинте­за с использованием света для генерации электрического тока. Природный фотосинтез является одним из прототипов фото­электрических элементов.

Катализатор.Вещество, ускоряющее химическую реакцию; например, кристаллизация сахара на деревянной палочке про­исходит быстрее, чем в простой воде, поэтому палочка дейст­вует как катализатор.

К-бит.Наименьшая единица информации в квантовых компьютерах.

Квантовая механика.Описание механического поведения атомных и субатомных частиц, таких как электроны и прото­ны. Квантовая механика является обобщением классической.

Квантовые вычисления.Схема вычислений, построенная на волновых свойствах материи, принцип работы которой фундаментально отличается от цифровых вычислений.

Квантовые точки.Наноструктуры практически сфериче­ской или кубической формы, достаточно малые, чтобы прояв­лять квантовое поведение в оптических или электрических процессах.

Керамика. Твердые огнеупорные материалы, часто постро­енные на оксидах.

КМОП.Технология комплементарных металлооксидных полупроводников, широко используемая для создания крем­ниевых микрочипов,

Колориметрические сенсоры.Датчики, меняющие цвет при появлении вещества-цели. Простой пример — лакмусовая бумага.

Конвейерная обработка.Принцип построения схемы мик­ропроцессора, включающий разбиение каждой отдельной ко­манды процессора на подкоманды. Каждая подкоманда требу­ет только часть процессора, поэтому одновременно может об­рабатываться несколько команд.

Конечный автомат.Устройство, работа которого заключается в переходах между рядом состояний согласно набору правил (см. правила перехода). Примером конечного автомата является схема управления лифтом. Каждое положение лифта (первый этаж, второй этаж и т.д.) представляет состояние, а реакция лифта на нажатие кнопок кодируется в правилах перехода.

Конструирование белков.Производство белков и манипу­лирование ими с помощью искусственных химических реакций.

Липосома.Микроскопическая или наноскопическая ис­кусственная глобула, состоящая из уровней липидов или фосфолипидов, ограждающих водяное ядро. Может использо­ваться как модель мембраны или как средство доставки опре­деленных молекул или биологических структур.

Литография наносферами.Метод нанопроизводства, при котором маленькие сферы наноскопических размеров исполь­зуются для формирования узора на поверхности, который за­тем применяется как маска для блокирования некоторых об­ластей поверхности в ходе последующего осаждения наноматериала из газообразной фазы. Данный метод является наноскопической версией буквенных трафаретов, используемых для изображения раскрашенных знаков методом напыления.

Литография.1. Изначально означала узор или структуру, сформированную на бумаге с использованием покрытых чернилами или расписанных камней. 2. Процесс формирования структур любого размера (включая наноскопические) обычно путем переноса узора с одной структуры на другую.

Логические элементы.Фундаментальные логические структуры, которые при объединении позволяют проводить цифровые вычисления. Тремя наиболее распространенными логическими элементами являются И, ИЛИ и НЕ. Впервые логические элементы использовал Джордж Буль.

Люминесцентные метки.Молекулы или наноструктуры, которые излучают свет при освещении и используются для идентификации структур, с которыми они связаны.

Магнитно-силовой микроскоп.Микроскоп зондового ска­нирования, в котором щуп движется за счет напряженности магнитного поля. Данное движение позволяет пользователю измерять напряженность магнитного поля.

Макромолекула.Другое название полимера; одна молеку­ла, состоящая из множества (тысячи и больше) атомов.

Метастаз.Процесс, посредством которого определенные раковые опухоли распространяются с одного органа или структуры тела на другую.

Микротрубки.Протяженные жесткие линейные структу­ры, встречающиеся в клетках; используются молекулярными моторами, такими как актин, для движения грузов молекул или других структур в клетке.

Молекулярная ДНК-терапия.Терапевтическая схема, в ко­торой молекулы ДНК вводятся в клетку, где объединяются, на­пример, с патогенными ДНК инфицированной клетки.

Молекулярная электроника.Электроника, которая зависит от молекулярной структуры пространства или использует ее.

Молекулярное распознавание.Фундаментальная схема самосборки, когда одна молекула может определенным обра­зом связываться с другой молекулой или поверхностью.

Молекулярные моторы.Сложные наноструктуры (иногда превышающие их), которые в биологических структурах пре­образовывают химическую энергию в механическое движение.

Молекулярные проводники. Молекулы, которые могут проводить электрический ток.

Мономеры.Маленькие молекулы, которые, связываясь в длинные структуры, образуют полимеры.

МЭМС.Микроэлектромеханические системы — структуры микронного размера, преобразовывающие сигналы из элек­трической в механическую форму и обратно.

Нанокомпозиты.Композитные структуры с наноскопическими характерными размерами. Пример — взвесь углеродных нанотрубок в мягком пластичном веществе.

Наномасштаб.Порядок длин между 1 и 100 нанометрами.

Нанонаука.Дисциплина, в которой работают авторы кни­ги, включающая научное понимание и исследование наноскопических явлений.

Нанопередатчики. Маленькие органические молекулы, ко­торые переносят сигналы и информацию от одной часть мозга (нейрона) к другой.

Нанопровода.Другое название наностержней, особенно наностержней, которые могут проводить электрический ток.

Нанопроизводство.Производство или подготовка наност­руктур.

Наноскопическая биоструктура.Биологическая структу­ра, характеристические свойства которой меняются в нанометровом диапазоне длин (например, стенка клетки).

Наноскопический синтез.Другое название нанопроизводства — создания структур в наномасштабе.

Наностержни.Наноструктуры, которые выглядят как длинные бруски или штыри с наноскопическим диаметром и значительно большей длиной.

Наноструктуры. Структуры с наноскопическими характерными размерами.

Нанотехнология.Применение нанонауки к технологиче­ским устройствам.

Наноточки.Наноскопические частицы, состоящие из одно­родного материала, обычно почти сферические или кубические.

Нанотрубки. Практически всегда это углеродные нанотрубки — провода чистого углерода, которые выглядят как ска­танные в рулон полоски графита или соломинки для содовой.

Нанофильтрация. Фильтрация частиц наноскопических размеров.

Нейрон. Субатомная частица без электрического заряда и с массой, немного превышающей массу протона; можно рас­сматривать как комбинацию протона и электрона.

Нейроэлектрический интерфейс.Структура, позволяющая преобразовывать сигналы нервных волокон в сигналы внеш­него вычислительного ресурса и наоборот.

Неоднородные структуры.Материалы, которые не явля­ются одинаковыми во всей толще. Макроскопические приме­ры — яичница и железобетон.

Нисходящее нанопроизводство.Процесс создания нано­структур, при котором отсекаются части от наибольшей структуры. Аналог классической скульптуры и производства КМОП-чипов. Как говорил Микеланджело, чтобы создать "Давида", он взял блок мрамора и отсек все лишнее.

Олигонуклеотиды.Маленькие единицы ДНК, состоящие из нескольких оснований в скрещенных цепочках. Приставка "олиго" означает "несколько".

Оптика.Наука о свете и его распространении и взаимодей­ствии с веществом.

Перьевая нанолитография.Метод производства с использо­ванием щупа сканирующего зонда в качестве перьевой авторучки для изображения наноструктур на поверхностях с использовани­ем в качестве чернил произвольных молекулярных структур.

Полевой транзистор.Наиболее распространенный тип транзисторов, используемых в полупроводниковых чипах. С помощью затвора позволяет управлять (включать и выклю­чать) электрическим током.

Полимеризация.Процесс создания полимеров из мономеров.

Полимеры.Длинные молекулы, созданные связыванием подединиц, называемых мономерами.Примеры — полистирол и полиэтилен, а также ДНК.

Полисахариды.Полимеры, подединицами которых явля­ются сахарозы.

Построение изображений методом магнитного резонанса. Разновидность спектроскопии с помощью магнитного резо­нанса, указывающая на наличие определенного атомного ядра. Используется для изображения участков тела или определен­ных биологических структур.

Правила перехода.Схема команд, "приказывающая" ко­нечному автомату (разновидность вычислительного устройст­ва) перейти из одного состояния (например, "включено" или "выключено") в другое. Пример правила перехода: "Включить электропитание, если оно выключено".

Престин.Молекулярный мотор, найденный во внутреннем ухе и необходимый для преобразования звука в нервные им­пульсы.

Протон.Субатомная частица с единичным положительным зарядом и массой, несколько меньшей, чем у атома водорода. Число протонов в данном ядре определяет, каким элементом является атом.

Радикал.В химии — определенный атом, ион или структура.

Самовосстанавливающиеся структуры.Разновидность интеллектуальных материалов, в которых структура отвечает на физическое воздействие, перелом или разрыв восстановле­нием исходной структуры.

Самоубийственные ингибиторыСинтетические молекулы, которые, вступая в реакцию с ферментом, дают продукт, свя­зывающийся с ферментом и не дающий ему выполнять свою функцию (функциональный суицид).

Светоизлучающие диоды (светодиоды).Структуры, в ко­торых электрон и отверстие, комбинируясь, формируют воз­бужденное состояние, которое впоследствии излучает свет; данные устройства разрешают прямое преобразование элек­тричества в свет.

Светособирающий комплекс. Часть аппарата фотосинтеза, который поглощает и аккумулирует световую энергию (в виде возбужденных молекулярных состояний) перед передачей ее другим структурам фотосинтетического аппарата.

Связывание.В квантовых вычислениях процесс такого объединения двух отдельных фрагментов информации, чтобы они могли использоваться как один объект.

Сидерофоры.Маленькие молекулы, содержащие атомы кислорода, азота, серы или фосфора, которые могут связывать (захватывать) определенные ионы металла.

Скрещивание.В теории ДНК — формирование второй цепоч­ки по первой путем дополнительного связывания Г с Ц или А с Т.

Спектроскопия. Наука о взаимодействии излучения с ма­терией.

Сшитые полимеры.Структуры, состоящие из линейных цепочек полимеров, химические связи между которыми со­единяют одну цепочку с другой.

Туннельные микроскопы. Первые из инструментов зондового сканирования, изобретенные Биннингом и Рорером. Ра­ботают в наноскопическом масштабе и измеряют эффект туннелирования между сканирующим щупом и проводящей по­верхностью.

Ультрафильтрация.Фильтрация очень маленьких (микронного размера) частиц. Термин не всегда используется строго, например, некоторые люди называют нанофильтрацию разновидностью ультрафильтрации.

Фермент.Белковый катализатор, используемый для облег­чения химических реакций в биологических структурах.

Фотодинамическая терапия.Схема лечения некоторых болезней, включая рак. Зависит от использования молекуляр­ных структур или квантовых точек для преобразования свето­вой энергии в тепло или возбужденные молекулы кислорода с высокой химической активностью, которые впоследствии ата­куют ткань опухоли.

Фоторефрактивные полимеры. Полимерные материалы, демонстрирующие движение зарядов и нелинейную оптиче­скую характеристику, что позволяет с их помощью записывать и считывать информацию.

Фотосенсоры.Обычно это устройства, обнаруживающие наличие света и его частоту. Наиболее распространены макро­скопические фотосенсоры, которые работают, испуская элек­троны с фотовозбужденных металлов, и используются, на­пример, в механизмах экстренного открывания дверей лифта.

Фотосинтез.Процесс, с помощью которого растения и бак­терии преобразовывают световую энергию в химическую, син­тез молекул или градиент протонов. Фундаментальное сред­ство, с помощью которого практически все источники энергии питаются Солнцем.

Фотоэлектричество.Искусственные системы, преобра­зующие световую энергию в электрический ток; могут стро­иться на полупроводниковых структурах или молекулярных комплексах.

Хвостовая группа.См. головная группа.

Хиноны.Маленькие органические молекулы, содержащие двойные связи между углеродами и кислородами. Важны как промежуточные акцепторные системы в фотосинтетических структурах.

Холестерин.Гидрофобная большая молекула, широко рас­пространенная в биологии (например, она составляет боль­шую часть печени и мозга человека).

Цеолит.Каркасный керамический материал, построенный из окиси алюминия и кремния с другими возможными добав­ками. Используется для смягчения воды и в некоторых ката­литических структурах, представляет очень элегантный набор наноскопических материалов.

Шапероны.Небольшие белки, используемые в клетке для переноса металлических ионных пород с места на место.

Электрон.Субатомная частица с единичным отрицатель­ным зарядом и массой, составляющей примерно 1/2 ООО массы протона.

Электронная микроскопия. Измерение структур твердых тел и поверхностей с использованием для наблюдения маленьких элементов (до наноскопических размеров) не света, а электронов

Электронно-лучевая литография.Метод производства, в ко­торой пучок электронов используется для формирования струк­тур на поверхности. Широко применяется для получения боль­ших наноструктур.

Электроосмос.Метод перемещения жидкостей с использо­ванием электрических полей. При электроосмосе образец движется с постоянной скоростью, поэтому он используется, когда образец не должен разделиться на компоненты. Сравни­те с электрофорезом.

Электрофорез.Метод использования внешних электрических полей на заряженных породах для движения частиц или жидко­стей. Электрофорез движет образец со скоростью, пропорцио­нальной обратной массе компонентов образца, а следовательно, часто используется для разделения. Сравните с электроосмосом.

Электрохимия.Наука, объединяющая химию с электриче­ским током. В качестве примеров электрохимических процес­сов можно привести серебрение и производство алюминия.

Элемент Гретцеля.Фотоэлемент, впервые созданный Ми­шелем Гретцелем (MichaelGraetzel) в Швейцарии, который ис­пользует наноскопический диоксид титана и органический кра­ситель для получения электрического тока из падающего света.

Об авторах

Профессор Марк Ратнер(MarkRatner) является Моррисоновским профессором химии и помощ­ником директора Института нанотехнологии и нанопроизводства в Нортвестернском универ­ситете. Его работа в сфере молекулярной электроники, области, которую он основал в 1974 и которой посвятил всю жизнь, принесла ему в 2001 Фейнмановскую премию по нанотехнологии, после чего Ратнер стал членом Нацио­нальной академии наук США и Американской академии науки и искусства. Опубликовал два серьезных учебника по химии и нанотехнологии и родственным вопросам, а также бо­лее 400 научных трудов. Профессор Ратнер является заслу­женным лектором по молекулярной электронике и нанотехнологиям во многих институтах по всему миру, но ос­новная его работа сосредоточена в Нортвестернском уни­верситете (где он получил ученую степень, работал заместителем декана Колледжа наук и искусств и главой химического факультета, получил награду "За выдающиеся успехи в преподавании").

Профессор Ратнер получил степень бакалавра в Гарвардском университете и работал деканом факультета электрохи­мической промышленности. Он является членом А. P.SloanFoundation, Института повышения квалификации в Еврей­ском университете, Американского физического общества и Американской академии наук и искусств. Когда Марк не за­нимается исследованиями, его можно найти управляющим рыболовной лодкой далеко в ледяной воде или плывущим на каноэ по озеру в штате Мэн.

Дэн Ратнер(DanRatner) — ветеран высоких техно­логий. Он был соучредителем, а в настоящее время является вице-президентом и руководителем тех­нического отделаDriveitaway.com,_ коммерческойWeb-организации, специализирующейся на аукционах машин по схеме "дилер-потребитель". ДоDriveitaway.comмистер Ратнер был соучредителем и руководителем технического отдела про­вайдераWiredBusiness, пионером в области предоставления дос­тупа кInternetпоDSL-линиям. Он начинал свою карьеру как ос­нователь и руководитель технического отделаSnapdragonTechnologies— консалтинговой фирмы, специализирующейся на информационных системах. В июле 2001 года мистер Ратнер был выбран журналом PhilliTechв качестве одного из "антрепре­неров", курирующих Филадельфию. До начала работы в новых фирмах он был инженером-электриком вZellerResearchLtd.

Мистер Ратнер получил степень бакалавра по технике и экономике в Университете Брауна и учился в Нортвестернском университете. Он участвовал в заседаниях совета директо­ров SittercityInc., входил в число советников. Первого коло­ниального национального банка иRMSInvestmentCorporation, работал руководителем программы предпринимательства Уни­верситета Брауна. В последнее время читает лекции по бизнесу и нанотехнологиям в школе Келлогга в Нортвестернском уни­верситете. В моменты, когда Дэн не размышляет о новом пред­приятии, он занимается бальными танцами или своей коллек­цией вин.

105