Дивный наномир: через несколько лет мы увидим роботов с молекулу и ткань толщиной в атом

В мире науки и технологий всегда есть явления, от которых в ближайшее время ждут революционных изменений: мол, вот еще немного, и мы будем жить совершенно иначе. В конце XIX века многого ожидали от применения энергии пара и первых шагов в изучении и освоении электричества. В XX веке надеялись, что благодаря открытию антибиотиков человечество стоит в шаге от искоренения большинства болезней. Еще живо поколение, помнящее эйфорию от первых успехов в освоении космоса (даже пели о яблонях, что вскоре будут цвести на Марсе).

Однако проходят десятилетия, и наступает отрезвление. Например, с тех же 60-х и по сей день мы никак не дождемся обещанного чуда в виде экономически выгодных термоядерных реакторов, буквально заливающих цивилизацию дармовой энергией.

В начале третьего тысячелетия масса надежд возлагается на нанотехнологии.

Мыслители атомарного уровня

Начнем с напоминания: нано — приставка из международной системы единиц (СИ) для образования наименований и обозначений величин, образуемых в результате умножения исходной единицы на число 10–9. Иными словами, такую величину можно назвать "одна миллиардная". Если говорить о размерах, то в этом интервале величин объекты становятся соразмерны с отдельными атомами. Например, на отрезке в 1 нм (одна миллиардная метра) размещаются восемь атомов кислорода.

Именно на работу с объектами таких, соразмерных с атомами предметов, и подразумевают нанотехнологии. Впрочем, лучше дать слово "отцам основателям" этого направления.

Саму идею озвучил знаменитый американский физик-теоретик, нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Фейнман. В лекции "Там, внизу, полным-полно места", прочитанной в Калифорнийском технологическом институте в 1960 г., он обрисовал возможности будущего научно-технического направления. Само слово предложил еще в 1974 г. японский ученый Норио Танигути. Он говорил, что "нанотехнологии преимущественно состоят из процессов разделения, объединения и деформации материалов атом за атомом или молекула за молекулой...".

Второй пионер направления, американец Эрик Дрекслер назвал свое детище "технологией производства, ориентированной на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". То есть она имеет дело с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом ключевое отличие нанотехнологий от современных объемных технологий, которые имеют дело с макрообъектами. Объясним все вышесказанное на пальцах: нанотехнологи собирают объекты из единичных атомов так же, как обычные рабочие собирают трактор из отдельных деталей, а ткачи из отдельных нитей производят ткань.

Материалы: невиданные прежде свойства

Сейчас уже ни у кого не вызывает удивления тот факт, что нанообъекты (например, частицы металлов, состоящие всего из нескольких атомов) имеют иные физические и химические свойства, чем у более крупных объектов из того же материала и, в то же время, у отдельных атомов. Так, температура плавления частиц золота размером 5—10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления кубического сантиметра этого металла.

Одно из самых перспективных (и разрекламированных в СМИ) направлений — разработка новых материалов из атомов углерода. На них возлагают особые надежды из-за недостижимых в других материалах прочности, веса, электрических свойств и еще доброго десятка параметров.

Пока еще невозможно "ткать" наноматериалы из отдельных атомов этого вещества. В ближайшее время для этого предполагают использовать так называемые молекулярные блоки.

ГРАФЕН. Представляет собой плоскую сетку из шестиугольников, в вершинах которой находятся атомы углерода. Получить такой удивительный объект удалось только в 2004 г. Конечно, пока не приходится говорить о квадратных метрах этой диво-ткани. Пока что графен доступен в виде чешуек размером в доли миллиметра. Или в виде пленочек побольше, но состоящих из нескольких слоев атомов. При этом производство графена остается крайне дорогим удовольствием.

Возможные области применения графена — миниатюрные электронные компоненты (транзисторы), способные работать на недостижимых современным транзисторам частотах, газовые датчики и фотоэлементы с чувствительностью, превышающей существующие аналоги в 1000 раз. Упомянем также ЖК-дисплеи и высокоэффективные солнечные батареи.

НАНОТРУБКА. Представляет собой полый цилиндр диаметром от десятых долей до десятков нанометров и длиной от одного микрометра до сантиметра. Иными словами, речь идет о свернутом в трубочку листочке графена. Одно из самых обсуждаемых направлений использования нанотрубок — сверхпрочные волокна и композитные материалы (энтузиасты идеи космического лифта надеются соединить тросом из нанотрубок спутник на орбите и поверхности Земли). Ведь нить из нанотрубок толщиной с волосинку способна выдержать груз в сотни килограммов.

ФУЛЛЕРЕН. Замкнутый выпуклый многогранник, построенный из атомов углерода. Основные перспективы использования — электроника и медицина.

Нанороботы: революция в медицине

Самые маленькие из существующих ныне микророботов имеют габариты всего несколько миллиметров в длину и миллиметр в диаметре. Предполагается, что нанороботов можно будет увидеть только в микроскоп.

Идея устройства размером с десяток атомов будоражит умы давно. Первым шагом к реализации стала одна из моделей электронных микроскопов, позволявшая смещать отдельные атомы посредством электромагнитного поля. А в 1980-е годы XX в. из атомов углерода собрали вращающиеся шестеренки размером в нанометр.

Наиболее перспективная сфера для нанороботов — медицина. Доставка лекарств напрямую в орган и даже нужную клетку, хирургия с микроразрезами — вот лишь пара применений нанороботов-лекарей.

Сегодня есть факты использования нанотехнологий в онкологии: наночастицы доставляют химиотерапевтические вещества внутрь раковых опухолей.

Однако с момента появления идеи особых прорывов в создании нанороботов не наблюдается. Что вполне естественно: слишком уж масштабные задачи стоит перед инженерами. Нужно обеспечить малюток навигацией, источниками энергии, средствами перемещения. Не обойтись и без "мозга" — достаточно мощного компьютера, но размером с пару молекул.

Небольшой сеанс разоблачения

Итак, общий настрой общества такой, что нанотехнологиями следует восхищаться, как суперпрорывом. Но есть ложка дегтя: лет семь назад вышла книга американского ученого Девида Берубэ "Наношумиха". В ней автор с иронией анализирует ситуацию и отмечает, что в сфере нанотехнологий существуют два направления. Первое основывается на реальных разработках корпораций, лабораторий, университетов и отдельных ученых. Они действительно рано или поздно приведут к технологическому прорыву. Второе направление — измышления из области научной и совсем ненаучной фантастики — прогнозирует скорое революционное изменение цивилизации. Однако восторги основаны на метафорах и не имеют точного расчета. Тем не менее именно это направление оказывает наибольшее влияние на обывателя.

Нанотехнологии привлекают огромное количество жуликов, выколачивающих деньги из доверчивых и не слишком посвященных в эту тему инвесторов таким примитивным способом, как прибавление приставки нано к названию компании.

Но откровенные шарлатаны, наивные мечтатели и сумасшедшие изобретатели — только малая часть тех, кто раздувает пузырь вокруг нанотехнологий. К этой публике нужно отнести и расчетливых бюрократов, официальных лиц, топ-менеджеров корпораций, грантоедов самых разных мастей, банкиров-инвесторов, всевозможные неправительственные организации, спекулирующие на интересе к нанотехнологиям для того, чтобы выбить себе финансирование.