Содержание:

С каждым днем нам все чаще и чаще попадаются слова: "нанонаука", "нанотехнологии", "наноструктурированные материалы", мы находим их в прессе, слышим их по радио и на телевидении, замечаем в речах не только ученых, но и политиков самого высокого ранга. Мы уже знаем, что нанотехнологиям отдается самый высокий приоритет при финансировании научных и инновационных программ и не только у нас, но и во всех развитых странах мира. Мировые эксперты прогнозируют рост наноиндустрии к 2010 году в объеме, превышающим триллион долларов! Нам сообщают, что Япония является мировым лидером по созданию наноматериалов и что в США исследования в области нанотехнологий получают щедрое финансирование как от государства, так и из бизнеса и даже от частных лиц. Что Евросоюз тоже принял свою рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. И вот недавно наш президент объявил о высоком приоритете развития нанотехнологий, обращая, в том числе, внимание на особую роль нанотехнологий для обороноспособности нашей страны. Тогда же было принято решение о создании специальной организации, которая под руководством Курчатовского института будет возглавлять все работы в этой области. На это выделяются немалые средства из Резервного фонда страны. Минпромнауки РФ и РАН также имеют свои перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой "нано-".

Предсказывают, что лет так через десять-двадцать нанотехнологии войдут в обиход каждого человека на Земле, а сами нанотехнологии приведут к небывалой, грандиозной научно-технической революции, которая кардинально перевернет всю нашу жизнь.

По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. То, что казалось фантастикой, далекой от реальности, ворвалось в наш мир, открывая перед нами необычайные перспективы, самые радужные ожидания и... некоторую тревогу за наше будущее.

Так что же такое нанотехнологии и почему им уделяется такое внимание во всем мире? Что это такое, почему это называют "революционным прорывом в технологиях", что это сулит нам, простым людям, и чем, возможно, это грозит миру, как чаще всего случается с подобными "революционными прорывами"? Попробуем разобраться, не вдаваясь глубоко в научные и технические тонкости этой науки.

Прошло без малого полвека с того времени, когда физик-атомщик, нобелевский лауреат Ричард Фейман первым обратил внимание ученого мира на возможность работы на уровне атомов. "Там, внизу - полно пространства" ("There's Plenty of Room at the Bottom") - так он озаглавил в 1959 году свою речь в Калифорнийском технологическом институте, предлагая физикам изучать материю на атомарном уровне. Фейнман славился своим остроумием и необычным, даже парадоксальным подходом к научным проблемам, которые он с блеском решал. Однако в те годы его слова были восприняты его коллегами-физиками чисто теоретически - еще не существовало и намека на технологии, позволяющие наблюдать и оперировать отдельными атомами. И его предложение премировать 1000 долларами (тогда это была серьезная сумма!) того, кто сможет разместить моторчик в кубике с линейными размерами 0,01 дюйма (менее 0,3 мм) или уменьшить текст в 25000 раз, было воспринято как "шутка гения".

К тому времени были определены и описаны структуры атомов, подтвердившие гениальность таблицы Менделеева, были выявлены и доказаны закономерности межатомных связей в молекулах вещества, о которых мы все знаем из уроков физики и химии в школе, но все это выглядело сугубо умозрительно. Я думаю многие, глядя на нарисованные "планетарные" структуры атомов и на их цепочки в молекуле, невольно задавались вопросами: "Как так может быть, что твердое тело, например, вот эта отполированная стальная пластинка может иметь какие-то пустоты между шариками атомов, и зачем там есть еще свободное пространство внутри самих атомов, где по разным разнесенным друг от друга орбитам вращаются электроны? И что это за пространство? Вакуум или какая-то иная среда?".

Пока не было соответствующих технических методов рассмотрения и анализа этих "планетарных" структур, физики и химики стали изучать свойства поверхностных слоев различных материалов и химических веществ. И шаг за шагом стали обнаруживать, что атомы материала, находящиеся на его поверхности и образующие эту поверхность, обладают свойствами, существенно отличающимися от свойств атомов, находящихся внутри объема и определяющих общие свойства данного материала. И это вызвано тем, что атомы на поверхности материала связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. Расположенные на гранях атомных "террас", углов, "уступов" и впадин поверхности материала, они имеют меньше межатомных связей, чем атомы в объеме материала, поэтому для граничных атомов характерны совершенно особые закономерности. В результате на поверхности возникает другой порядок их взаимодействия и происходит некое специфическое перестроение атомарной структуры. А взаимодействие электронов этих атомов со свободной поверхностью (воздухом, например) порождает особые приповерхностные состояния (так называемые "уровни Тамма"). Все это вместе взятое заставляет рассматривать тонкий приповерхностный слой материала как некое новое состояние вещества. В нем все процессы - протекание электрического тока, теплопроводность, пластическая деформация и другие характеристики значительно отличаются от таковых для всего объема этого (любого) материала. И чем тоньше этот приповерхностный слой, тем больше отличаются его свойства от характеристик всего образца. Следовательно, тонкая пленка материала, толщиной в один - два атома уже совсем не будет тем материалом, а чем-то другим.  Ученые постепенно подходили к "нано" размерам.

Понятие "нанотехнологии" ввел в обращение в 1974 году японец Норё Танигути для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. Но "отцом нанотехнологий" называют Ричарда Феймана – его пророчества не забыли. Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова "nanos" и означает одну миллиардную часть чего-либо (в данном случае – одну миллиардную долю метра).

Однако 1974 году до реализации этой технологии было еще далеко - Танигути опередил события на 20 лет. Такая возможность стала реальной лишь на рубеже нового столетия, когда появились мощные зондовые микроскопы - уникальные "пальцы", позволяющие "пощупать" отдельные молекулы и атомы. С момента изобретения Биннингом (G.Binning) и Рорером (G.Roer) первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло около 12 лет, когда этот аппарат превратился из "остроумной игрушки" в один из основных инструментов нанотехнологий. Общим для этих устройств является наличие зонда (чаще всего - это тончайше заостренная игла с радиусом на ее кончике порядка 10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать эту иглу над поверхностью образца в трех измерениях.  В отличие от прежних электронных приборов прошлого века, которые позволяли лишь наблюдать самые крупные объекты наномира, новейшие зондовые микроскопы дают потенциальную возможность "видеть" отдельные атомы и строить из них  новые молекулы с новыми свойствами. Эти устройства именуют нанозондами, поскольку они скорее "щупают", чем видят, как пальцы руки незрячего человека, в них наблюдение объектов и манипуляция едины. Кончик иглы нанозонда, перемещаемой по поверхности исследуемого материала (образца) "натыкается" на выступы на нем, которые и являются отдельными атомами. По размерам этих выступов, их конфигурации и определяется что это за атом или молекула. Подавая небольшое напряжение определенной полярности, игла может притянуть к себе атом, перенести на другое место и  при переключении полярности напряжения – отпустить этот атом в другое место (к другому атому).

Реальные результаты появились, когда другой японец, Сумио Иидзима, профессор университета Мэйдзё первым в мире создал в 1991 году нанотрубки из углерода, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки из сверхтонкого углеродистого материала – фуллерена и стали первым реальным наноматериалом, на основе которого строятся сейчас различные вещи, предлагаемые на рынке новых товаров. Тоненькая еле видимая нить, свитая из этих углеродных трубок, не уступает по прочности стальному канату толщиной в руку. Твердость деталей, выполненных из композитов, собранных из углеродных трубок, сравнима только с алмазом.

Открытие Сумио Иидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. А созданные зондовые микроскопы позволили реально перейти к практическому воплощению этих идей, а также к более глубокому изучению совершенно новых, необычных свойств "наномира", который стал открывать людям свои тайны. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструирования из атомов с помощью механической наносборки новых материалов с заданными характеристиками. В их числе сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как это происходит, например, в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы - наномашины.

Теперь каждый день появляются сообщения о создании уже не просто нанотрубок или различных нанопорошков, а некоторых устройств, собираемых из отдельных атомов или молекул. Появились сообщения о работах с наноматрицами памяти, в перспективе достигающих терабитной плотности на квадратный дюйм, с быстродействием до 100Мбайт/с.  При такой плотности записи в жестком диске размерами пятирублевой монеты можно будет разместить все тексты и иллюстрации всех книг из национальной библиотеки России (или Конгресса США), или заполнить ее фотографиями, отпечатками пальцев, медицинскими картами и подробными биографиями абсолютно всех (sic!) жителей Земли. Получены наноматериалы, излучающие свет, наноматериалы, поглощающие свет (с помощью которых, например, можно сделать невидимку – однако сейчас пока создали нанопленку, поглощающую только красный цвет). Существуют уже нанофильтры, пропускающие через себя молекулы только одного вида, на основе которых будут строиться анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, а также  "искусственный нос" и "искусственный язык" для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).  Есть и более гуманистические проекты: например, создание специальных микророботов – "врачевателей", которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов размером около 1мм3, имеющих все функциональные узлы такого "врачевателя", и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.

Нанотехнологии сулят человечеству не больше и не меньше как управляемое и контролируемое построение новой материи, которое может привести к созданию незнаемой доселе искусственной жизни, взращенной людьми, вроде бы, как на благо людей. Определенная угроза заключается в том, что нанообъекты сначала надо собрать, подобно кирпичикам из набора LEGO, и только потом можно изучать свойства этих новых объектов. При этом является очевидным, что изменения свойств или приобретение новых свойств могут происходить помимо желания человека.

Прозвучали заявления о скором создании "умных" нанороботов - устройств размером в десятки нанометров, которые будут самостоятельно манипулировать атомами под управлением нанокомпьюторов тех же размеров. Нанороботы смогут создавать из произвольного неорганического и органического подручного материала любые заданные программой предметы. В принципе нанороботы смогут создавать любой предмет или даже живое существо. Без таких нанороботов перспективы широкого внедрения нанотехнологий смотрятся менее радужно. Дело в том, что построение нанообъектов человеком является задачей достаточно сложной – как правило, сборка должна производиться в условиях глубокого вакуума, при низких температурах (как известно: температура – это скорость движения атомов). "Вручную" много атомов - кирпичиков быстро не соберешь. И зондовые микроскопы, с помощью которых сейчас собираются такие структуры, - предметы "штучные", достаточно дорогие для использования их в промышленных масштабах.

Нанороботов подразделяют на два вида: дизассемблеры, которые будут разбирать вещества на отдельные атомы и сортировать их, и ассемблеры, которые будут собирать атомы по заданной программе и выстраивать нанообъекты, в том числе и самовоспроизводиться. С помощью нанороботов будут строиться (ими же!) различные "нанофабрики", которые будут также автоматически создавать предметы уже нормальных зримых размеров. В качестве сырья им потребуются самые распространенные элементы – атомы кислорода, водорода, азота, углерода, металлов и в меньшем количестве – более редких элементов. Из этого сырья нанофабрики по программам, заданным человеком, могут строить все – и материалы, и пищу, и одежду, и органические живые (sic!) существа.

Сегодня в сфере наномира одним из самых важных направлений являются биоорганические технологии, куда направлены очень большие инвестиции. Ученые уже достаточно близко подошли к моделированию построения структур живой материи, которая, как известно,  отличается от неживой способностью к самопостроению и к саморегуляции. Уже освоенный и даже отмеченный Нобелевской премией метод создания структур с помощью квантовых точек и есть самая настоящая саморегуляция неорганической материи. Дальнейшее развитие этого метода может привести к перевороту в науке и в жизни – будет возможно создание бионических приборов, клеточных мембран из биоорганики, даже биологических органов и объектов, вплоть до отдельных искусственно собранных, но "живых" органов человека и в пределе – построения самого совершенного компьютера, подобного по структуре и принципу действия мозгу человека.

Раньше наука занималась анализом, а теперь, благодаря нанотехнологиям, ученые впервые в истории человечества приступают к синтезу. Это очень серьезное, качественное изменение мира науки. Некоторые называют это величайшей революцией в человеческой цивилизации. Впервые человек пытается присвоить себе функции Творца, пробуя получить возможность по своей воле создавать новый мир на основе биоорганики, которая соединила физику и молекулярную биологию. Простят ли нам это вторжение?

Для ученых всего мира открываются необычайные перспективы. Жажда новых открытий, творческих исканий подогревается как азартом соревнований между научными организациями, университетами и академиями, так и властителями мира сего, желающими получить в свое распоряжение совершенно новые возможности производства, энергетики и экономики, что могут дать им нанотехнологии. А также военную мощь, которая может стать значительней и страшнее атомных и водородных бомб.

А где позиция России в нанотехнологической гонке? В отличие от прошлого упадка в научном развитии, из-за которого мы безнадежно отстали в области компьютерных технологий, IP- технологий и биотехнологий, здесь у нас есть реальные шансы быть в первых рядах. Мы пока ни от кого не отстали в нанотехнологиях. Из десяти устройств синхротронного излучения, имеющихся в Европе, два работают в России - в Новосибирске и в Курчатовском центре, а третий готов в Зеленограде. Еще один синхротронный источник строится в Дубне. И немаловажно, что лучшие в мире сканирующие зондовые микроскопы, которые работают в 90 институтах Российской академии наук, созданы в Зеленограде и уже несколько лет приобретаются Европой. После решения нашего президента работы в области нанотехнологий явно будут ускорены и расширены – теперь для этого выделяются необходимые средства и ресурсы.

Еще до этого поворота в сторону нанотехнологий в России было создано Молодежное научное общество по нанотехнологиям (МНО), которое проводит активные работы в области нанонауки и нанотехнологий. Созданный два года назад их силами сайт http://www.mno.ru/ стал очень популярным и у нас и за рубежом. Там публикуются интересные и важные аналитические и научно-популярные статьи. С помощью МНО и при поддержке ученых РАН разработан первый школьный учебный курс по нанотехнологиям. Разрабатываются лабораторные работы на базе имеющегося высокотехнологичного оборудования. В апреле 2005 года был успешно проведен Конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший неподдельное восхищение российских ученых и…явное раздражение и даже испуг в некоторых (политических и военных) кругах в США.

Дело в том, что министерство обороны США финансирует программу создания "Smart dust" – "умной пыли", т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку. Предполагается, что они смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.  Поэтому они очень опасаются, как бы мы их не опередили и не нашли вовремя соответствующего "противоядия".

Пока это все – только начало. Нет сомнения в том, что в ближайшее время нанотехнологии будут широко применяться в самых разных областях прикладной науки и промышленности, включая производство новых видов материалов, компьютерных систем и телекоммуникации, источников энергии и даже бытовой техники. Не исключено, что первой областью, где нанороботы найдут самое широкое применение, станет медицина, а не заказы военных.

Однако при этом возникают определенные опасения, насколько нравственными люди окажутся в использовании этих достижений. Естественно, что появляется огромная угроза возможной потери человеком контроля над этими процессами. Многие ученые и специалисты, имеющие отношение к этой тематике выражают вполне обоснованную тревогу по поводу возможного неблагоприятного воздействия продукции нанотехнологий на людей и на окружающую среду. Все-таки люди за всю много тысячелетнюю историю приспособились жить в естественном мире и воздействии Земли, и окружающего нас космоса. Массовое внедрение искусственного мира (кто знает?) может привести человечество к катастрофическим последствиям. Поэтому достаточно большое число влиятельных людей и организаций в западном мире призывают к установлению моратория на массовое производство и на коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий.  До тех пор, пока не будет достоверно определены все возможные последствия их применения и до тех пор, пока не будет создан и одобрен всем мировым сообществом строгий свод правил для защиты человечества от угрозы прекращения его существования.

Насколько такое опасение обосновано, свидетельствует тот факт, что даже в такой прагматичной стране, как США (как раньше говорилось: "в стране чистогана") Конгресс принял три года тому назад закон, обязывающий американское правительство изучить все возможные формы воздействия продуктов нанотехнологии на общество, на окружающую среду и на здоровье человека. Результаты этой работы пока не опубликованы (возможно, они засекречены). Правительство Великобритании сформировало консультативный совет по этическим проблемам, связанным с применением нанотехнологии. Главным предметом изучения совета являются возможные злоупотребления при попытках создания биологического оружия. У нас ученые также достаточно осторожно выражаются по этому поводу, правда, полагая, что до реального производства нанороботов еще далеко. Лишь бы здесь не оправдалась поговорка "Пока гром не грянет…". О государственной оценке потенциальной угрозы неконтролируемого развития нанотехнологий в России тоже пока не известно.

Еще страшнее, если эти технологии попадут в грязные руки. История показывает, как могут использоваться самые лучшие научные достижения для уничтожения друг друга. Тех, кто разделяет эти тревоги, стали именовать "наноапокалиптиками". Наноапокалиптики упорно говорят о неминуемости войн, которые могут вести сами нанороботы-дизассемблеры, разрушая все на своем пути и размножаясь при этом разрушении. Вполне возможно, что у этих нанороботов могут появиться свои собственные интересы, которые не будут иметь ничего общего с интересами человека. Потому уже всерьез рассматриваются и ставятся задачи по созданию защитных средств для уничтожения вышедших из повиновения нанороботов на манер борьбы с вирусами и бактериями, представляющими по существу живые аналоги нанороботов.

Одним словом, нас ожидает наномир, о котором мы знаем пока еще очень мало. Почти ничего не знаем.

Но будем надеяться, что и ученые и правительства всего мира найдут достаточно сил и средств, чтобы направить достижения нанотехологий на добрые дела  без выхода за рамки благоразумия. Вот только часть возможностей применения нанотехнологий, которые публикуются сегодня в мировых СМИ.

Заявленные перспективы применения нанотехнологий:

В МЕДИЦИНЕ

Пожалуй, ни в одной другой отрасли нанотехнологии не смогут найти лучшего применения. Это относится и к получению нанолекарств, которые можно будет доставлять в конкретный орган человека с помощью "нанотранспортера" по кровеносной системе. Такие же транспортеры могут доставлять "заряды" в раковые клетки и разрушать их. "Нано-чистильщики" будут избавлять стенки  сосудов от холестериновых бляшек, и лечить сосуды изнутри. В перспективе планируется создание нанороботов - врачей, которые могут быть внедрены в человеческие организмы и смогут самостоятельно устранять возникающие патологии или предотвращать их. Возможно, появится способ лечения и генетических патологий.  Многое из этого уже разрабатывается в лабораториях ведущих стран мира. Прогнозируемый срок реального массового применения медицинских наносредств - первая половина XXI века.

В БЫТУ

Помимо уже предлагаемых товаров, созданных с применением нанопродуктов, таких как, например, пленок для стекол автомобиля, на которых не осаждается пыль и грязь, лечебной одежды и даже косметики, созданных с применением нанотехнологий, можно предположить и массу других вещей, которые будут обладать какими-либо ценными свойствами. В далекой перспективе можно думать о заказе одежды с заданными параметрами, бытовых приборов, мебели, и даже украшений –можно предполагать любую фантазию, которая может стать в будущем реальностью.  Применение нанотехнологий в быту уже началось, и можно уверенно утверждать, что оно будет неуклонно развиваться, поскольку, как известно, именно массовое потребление определяет экономику любых технологий.

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Здесь нанотехнологии также имеют конкретное промышленное применение. Сегодня на рынке предлагается большая номенклатура промышленно изготовляемых наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных порошков, которые уже находят широкое применение во многих секторах промышленности и строительства. Нанопорошки имеют свойства, отличающиеся от свойств металлов, окислов и т.д., из атомов и молекул которых они изготовлены. Причем значительное количество таких свойств до конца еще не исследовано. А в будущей перспективе просматривается возможность замены принятых сегодня методов производства сборкой с помощью нанороботов любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. В некоторых статьях даже говориться о возможности создания "персональных" нано- синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих каждому человеку изготовить любой предмет по своему желанию. Прогнозируемый срок появления первых нанороботов – середина XXI века.

В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Властями всех стран применению нанотехнологий для обороны придается огромное значение. В США, в развитых странах Азии, в Европе, да и у нас ведутся крупномасштабные исследования, основная часть которых скрыты под завесой секретности. Известно, что это касается, в том числе, возможности создания "невидимых" военных объектов и, наоборот, средств противодействия "невидимости", самовосстанавливающихся  военных механизмов, сверхпрочной брони, новых систем связи и разведки, сверхпрочной военной амуниции, повышения живучести всех военных объектов и т.д. Есть сообщения, что уже в 2008 году будут созданы первые боевые наномеханизмы, системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. Первые практические результаты ожидаются в ближайшие годы  этого века.

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Считается, что нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире. Среди главных задач были названы очистка воды, производство экологически чистого топлива и увеличение плодородности почв. По мнению экспертов, исследования в этих областях, которые ведутся сейчас, позволяют воспринимать всерьез призыв ООН – "победить бедность к 2015 году". В отдаленной перспективе предполагается, что в домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. Таким образом, подобное "сельское хозяйство" не будет зависеть от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В принципе, применение нанотехнологий в промышленности и в быту может привести к полному устранению вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет массового производства и размещения в экосфере нанороботов-санитаров, превращающих отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Уже сегодня крупные компании, конкурирующие в области создания сверхплотных и сверхскоростных матриц памяти для компьютеров, открыли научно-исследовательские работы по применению нанотехнологий, которые сулят огромные перспективы в этом направлении, вплоть до создания ячейки памяти на одном атоме. Применение наноматериалов сможет создать новые типы дисплеев и телевизионных экранов с трехмерным изображением. Университетские лаборатории работают над созданием "вечного" элемента питания, который не будет нуждаться в подзарядке. В далекой перспективе предполагается  создание компьютера, обладающего человеческим интеллектом. Прогнозируемый срок реализации сверхплотной памяти и "одноатомной" компьютерной ячейки - вторая четверть XXI века.

Статистика:

Просмотров:4800

Комментарии: 0