Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Само слово “нанотехнология” указывает на то, что характерные пространственные размеры процессов, протекающих под управлением молекулярных машин, равны нескольким нанометрам, то есть нескольким десяткам характерных размеров атома. На таких микроскопических размерах законы “здравого смысла” начинают давать сбои, и вступают в силу законы квантовой механики, часто приводящие к “идеальному” поведению системы. Например, исчезает трение в макроскопическом смысле слова, детали абсолютно не изнашиваются, от машины не может “отколоться
139
кусочек” меньше одного атома, две одинаковые машины в одном состоянии абсолютно идентичны, так, что их невозможно различить даже мысленно. Таким образом, молекулярная нанотехнология открывает возможность делать просто сказочные вещи: 1 Изучение микромира на новом уровне. Исследователь сможет видеть и манипулировать отдельными атомами и молекулами, в том числе и с помощью техники виртуальной реальности с обратной связью, дающей возможность ощущать атомы и молекулы в руках в виде упругих сгустков больших размеров. Практически мгновенно можно будет исследовать микроструктуру любого материала, и сделать химический анализ любого вещества. 2 Обработка информации. Вычислительная мощность компьютеров возрастёт на много порядков. Компьютеры смогут воспринимать и выдавать информацию в любом материальном виде. Существование мощной обратной связи между информационными системами и внешним миром, а также развитие нанонейросетей неизбежно приведёт к возникновению искусственного интеллекта. Станет возможным сбор рассеянной в окружающей среде информации и восстановление прошедших событий. К сожалению (а может быть – к счастью), прогноз на достаточно отдалённое будущее, например, погоды, по прежнему будет неточным из-за реальной физической случайности квантовых явлений и сильной неустойчивости многих процессов, текущих в природе. Эти два пункта – возможность манипулировать атомами и переработка огромного количества информации, создают предпосылки для следующих “чудес”: 1 Производство объектов. Изготовление объекта, будь то кристалл алмаза, стальной шарик, сапоги, компьютер, кусок хлеба, куриное яйцо (сырое), принципиально не будет ничем отличаться. Самое сложное – это спроектировать производство объекта, то есть создать всю необходимую информацию о том, как из груды мусора, содержащей необходимые элементы в нужном количестве, построить объект. После этого производство не будет требовать никаких затрат, кроме подвода энергии, мусора и откачки энтропии в виде тепла. При этом спроектировать производство кристалла алмаза несравненно легче, чем куска хлеба, так как кристалл алмаза содержит ничтожно мало информации по сравнению с куском хлеба. Чтобы получить нужную вещь, достаточно будет дать указание персональному компьютеру материализовать объект из его обширной памяти или из мировых ресурсов памяти. 2 Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и "облагораживания" тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, 140
которые были заморожены в настоящее время методами крионики и, возможно, мумифицированных. 3 Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, противостоящими искусственно вызванным и естественным нежелательным процессам, текущим в природе, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Сбор рассеянных элементов в земной коре и даже из космоса. Например, добыча золота или трития (если тогда будут нужны термоядерные электростанции). 4 “Облагораживание среды”. Разумная среда обитания. За счет внедрения логически действующих наномашин во все тела окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека. 5 Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его наномашинами. Направленное переизлучение фотонов будет служить для наномашин хорошей “точкой опоры” в космосе, так что они смогут разгоняться под солнечным излучением до релятивистских скоростей. Огромная армия наномашин подготовит космическое пространство для заселения его человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, астероидов, солнечного ветра) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов. С появлением возможности ускорения наномашин до релятивистских скоростей звёзды перестанут быть недосягаемыми объектами. Так начнётся экспансия человека в космос. Насколько не казались бы отдаленными вышеописанные перспективы, однако во многом исследования в области нанотехнологий уже сегодня вплотную подходят к практическому использованию. Под нанотехнологиями сегодня понимают область прикладной науки и техники, имеющей дело с объектами размером менее 10 нанометров (1 нанометр равен 10−9 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, поскольку при таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты. В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
141
При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дерВаальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров. В основном сейчас рассматривается возможность механического манипулирования молекулами и создание самовоспроизводящихся манипуляторов для этих целей. Это позволит многократно удешевить любые существующие продукты и создать принципиально новые, решить все существующие экологические проблемы. Также такие манипуляторы имеют огромный медицинский потенциал: они способны ремонтировать повреждённые клетки человека и рассматриваются как средство генотерапии. Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10−11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4…10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов, охлаждение микроскопа позволяет избавиться от термодрейфа. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и 142
адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – белками, нуклеиновыми кислотами, ДНК и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты – плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты – вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты – материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Прочие методы, в основном, используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв. Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией – как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии – супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров – белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы – структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Частицы размерами порядка нанометров, или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отрасли производства керамики, в металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений – использование веществ – дисперсантов, таких как
143
цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (не растворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. На рис. 6.4: учёные из IBM разработали процесс печати детализированных растровых изображений, использующий чернила с наночастицами. Этот процесс позволяет сохранить каталитические и оптические свойства наночастиц. В октябре 2007 года в Москве был представлен доклад профессора Всеволода Арсеньевича Ткачука, академика РАН и РАМН, декана факультета фундаментальной медицины МГУ о применении нанотехнолоРисунок 6.4 – "Солнышко" гий в медицине. из наночастиц Термин "наномедицина" возник в национальных институтах здоровья США, активно изучающих потенциальные возможности использования микроскопических частиц в медицинских целях, но в российском научном сообществе почему-то не прижился. Несмотря на это, российские ученые разрабатывают множество методик применения наночастиц в диагностических и лечебных целях. В частности, это применение "квантовых точек" – мелкоизмельченных проводников, которые при облучении начинают светиться различными цветами (от синего до красного), в зависимости от величины. Ими можно «помечать» и отслеживать различные белки и рецепторы в организме животных и людей. "Магнитные частицы" – другой вид наночастиц – после введения в организм сами становятся мечеными. Они не могут быть уничтожены иммунной системой человека и с лимфой переходят в опухоли (в том числе и злокачественные), позволяя вовремя их заметить и легко визуализировать. Наночастицы в десятки миллионов раз увеличивают разрешение микрочипов, с помощью которых можно обнаружить наличие в исследуемой среде вирусов или бактерий. По одной капле крови становится возможным "прочитать" геном человека, проведя всестороннюю диагностику на наличие или возможность наличия заболеваний, передающихся по наследству, выявить поврежденные гены, назначить своевременное лечение намечающихся, но пока незаметных отклонений. С помощью нанотехнологий открывается возможность доставлять лекарства непосредственно к больным клеткам, "упаковывать" в них ДНК и фрагменты генов, которые раньше приходилось доставлять в клетку в оболочке вируса, что было признано однозначно опасным и даже смертельным, тормозить деятельность некоторых химических веществ, "выключать" больные гены. Медицинские нанороботы уже конструируются, заимствуя механизм действия у белков межклеточного транспорта, созданных природой за миллионы лет эволюции. С ними можно будет передавать своеобразные 144
"контейнеры" с необходимыми веществами к ядру клетки, или же из ядра – наружу. Становится реальностью вторжение в клетку и наблюдение за происходящими в ней процессами изнутри. К сожалению, ни одно чудесное открытие не обходится без побочных эффектов. Первым же вопросом, заданным Всеволоду Арсеньевичу после презентации, был вопрос о безопасности применения нанотехнологий для человека. Дело в том, что наночастицы являются новым свойством известных и привычных для нас веществ, которые сами по себе не опасны. Но никто не может ручаться за то, как «поведут» себя эти вещества в новом состоянии, как они повлияют на рост, изменения в клетках и их гибель. Есть достоверные сведения, что наночастицы накапливаются в макрофагах (клетках иммунной системы, отвечающих за вторжение в организм инородных частиц), следовательно, они могут накапливаться и в других клетках и тканях. Существует также опасность "выключения" некоторых генов во время нахождения наночастиц в теле человека. На данный момент эти проблемы, безусловно, учитываются при разработке новейших технологий в медицине будущего, способной избавить человека от болезненных операций, уколов, неточных диагнозов, да и многих заболеваний.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Нанотехнологии» з дисципліни «Історія інженерної діяльності»
