В одном сантиметре — десять миллиметров, в одном метре — десять сантиметров. Это практически все, что требовалось знать школьникам младших классов о линейных величинах на протяжении последнего столетия. Существование молекул и атомов оставалось для них тайной до того момента как подросшие школьники, уже интересующиеся алкогольными напитками и противоположным полом больше, чем учебой, не попадали на первые уроки физики.
В ближайшем будущем все изменится. Одна из областей физики находится на пороге открытий, которые до недавнего времени жили лишь на страницах книг писателей-фантастов. Речь, конечно же, идет о нанотехнологиях — области фундаментальной и прикладной науки и техники, которая имеет дело с методами производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой, иными словами — продуктов, созданных путем манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Когда в 2001 году американским ученым впервые удалось создать функциональное устройство на наноуровне, один из разработчиков сказал: "Теперь первоклассники будут учить, что в одном сантиметре — десять миллиметров, а в одном миллиметре — 1*10-06 нанометров". Тем, кто сомневался в этом утверждении, предлагали взглянуть на первое наноустройство, которое представляло собой автомобиль шириной 4 нанометра (это лишь чуть больше, чем толщина ДНК) с четырьмя колесами из 60 атомов углерода каждое. И этот автомобиль, по сути представлявший собой одну сложную молекула, ездил, используя энергию химических связей. Правда для того, чтобы зафиксировать его движение, потребовался мощный сканирующий туннельный микроскоп.
На первый взгляд, это совершенно бесполезное изобретение, однако лучшие умы мировой науки так не считают. Общие мировые инвестиции на разработки нанотехнологий ежегодно превышают $15 млрд. Больше всего денег на эти исследования тратят США и Япония. Актуальность направления поняли и в России, где по указу президента была создана корпорация "Нанотехнологии", которую возглавил Анатолий Чубайс. "Объем продаж российской наноиндустрии достигнет уровня, который был у РАО "ЕЭС России", т.е. 1 трлн рублей в год", – пообещал Чубайс, приняв назначение на должность.
Последние разработки подтверждают, что созданные с помощью нанотехнологий устройства имеют намного более высокую энергоэффективность, кроме того, сама их постройка существенно облегчается тем, в качестве сырья для их создания могут использоваться несколько простейших видов атомов, таких как углерод, водород, кремний, азот.
Нанороботы уже научились отличать раковые клетки от здоровых и в ближайшем будущем смогут избавить пациентов от тяжелых и небезопасных процедур облучения. Они избавят от необходимости хирургического вмешательства и обеспечат правильную "диету", осуществляя доставку калорий в организм, будут спасать металлы от ржавчины и создадут сверхпроизводительные компьютеры следующего поколения.
"Нанотехнологии произведут такую же революцию в управлении материей, какую компьютеры произвели в манипулировании информацией", – утверждает Ральф Меркль, работающий в подразделении нанотехнологий компании Xerox.
МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ: ЧЕМ МЕНЬШЕ, ТЕМ УМНЕЕ
Компьютерные технологии всегда первыми реагируют на новейшие достижения науки. В общественном сознании еще не успела укорениться мысль о нанотехнологиях, как о реальности, а не о чуде, но в индустрии электроники они уже давно прижились. Современные процессоры компании Intel производятся по технологическому процессу 65 нм. Эксперты отмечают, что уже через несколько лет может быть достигнут предел 11 нм. Дальнейшее уменьшение наноэлектроники невозможно. После этого настанет эпоха "супернаночастиц" и создание квантовых компьютеров и спинтроники, где движущей силой процессоров станут мельчайшие частицы, известные современной физике — кванты и спины.
НАНОУСТРОЙСТВА НАУЧАТСЯ САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ
Единственной проблемой, стоящей на пути развития нанотехнологий сегодня, является слишком большой масштаб сборки. Перемещение отдельных молекул производится с помощью зондов, управляемых компьютером, который, в свою очередь, управляется человеком. Процедура сборки наноустройств имеет ограниченный диапазон и не автоматизирована на наноуровне.
Прогресс. Компьютеры следующего поколения будут созданы нанороботами
Ученые считают, что сдвинуть дело с мертвой точки поможет управляемый механосинтез. В ходе этой, пока еще теоретической процедуры, молекулы можно будет собирать из атомов с помощью механического приближения — сокращения расстояния между атомами до тех пор, пока не вступят в действие химические связи. Это возможно лишь при наличии манипулятора, который способен оперировать отдельными атомами в радиусе до 100 нм. Управлять столь тонким устройством человек уже не сможет, для этого потребуется нанокомпьютер. И скорее всего он должен быть встроен прямо в наноробота-сборщика, который будет осуществлять сборку устройств.
Американский институт молекулярного производства объявил конкурс на изготовление первого такого устройства с призовым фондом $250 тыс. По самым оптимистичным оценкам, стратегический дует из нанокомпьютера и наноманипулятора будет создан не раньше 2015 года. После этого развитие нанотехнологий ничто уже не будет сдерживать, ведь первый манипулятор сможет воспроизвести сам себя без участия человека. Дальше будет еще проще. Используя свойства ДНК к размножению, несколько бактерий смогут за несколько часов довести свое количество до нескольких миллионов, не требуя ничего, кроме незначительных объемов энергии и сырья.
БИОТЕХНОЛОГИИ: НАНОРОБОТЫ ОТКРОЮТ ДОРОГУ К МАТРИЦЕ
В медицине и биотехнологиях использование нанороботов также сулит невероятные прорывы. Многие тяжелые и даже неизлечимые заболевания, перед которыми пасует современная медицина, перестанут быть опасной угрозой. Медицинские нанороботы доберутся до пораженных органов и злокачественных клеток, не требуя хирургического вмешательства и химиотерапии.
Хирургия будущего. Медицинские нанороботы дешевы в производстве и безвредны для организма
Британский футуролог Обри де Грей убежден, что благодаря нанотехнологиям станет возможным регулярно обновлять клетки организма и таким образом фактически достичь бессмертия. Больше того, он убежден, это вовсе не дело отдаленного будущего — первыми бессмертными, по его мнению, станут люди, родившиеся в начале XXI века.
Обри де Грей: нанобессмертие уже не за горами
Другие ученые в своих прогнозах заходят еще дальше и предсказывают, что нанотехнологии позволят перестроить человеческий организм. Например, дадут возможность управлять энергетическим балансом, поставляя в организм калории, без необходимости употреблять в пищу продукты, содержащие эти калории.
Благодаря нанотехнологиям станет возможным повысить биологическую совместимость различных протезов и имплантов с нервными тканями человека. Возможно, сбудется мечта писателей фантастов жанра "киберпанк", которые описывали нейроинтерфейсы, позволявшие людям будущего взаимодействовать с компьютерами непосредственно через нервную систему.
2009 год для нанотехнологий начался с сенсации. Американские ученые из университета Джона Хопкинса объявили о создании наноробота, способного уничтожать раковые клетки. Микроскопическое устройство размером с частичку пыли имеет в диаметре меньше одной десятой миллиметра, при этом оно способно проникать в организм человека и перемещаться по нему, ориентируясь на биохимические сигналы клеток. Робот умеет отличать злокачественные клетки от здоровых и удалять их и организма.
Без проводов. Нанороботы управляются магнитом
Внешне наноробот похож на краба — у него есть "туловище" и три пары "клешней", которыми он цепляется за ткани и проводит все необходимые манипуляции. Впрочем, "клешни" раскрываются лишь когда робот добирается до цели — по организму он путешествует в виде гладкого шарика. Сам процесс движения обеспечивается благодаря магнитному испульсу. Конструкция робота содержит частицы никеля, врачи воздействуют на них с помощью магнитов, задавая направление движения зонда.
Нанороботы дешевы в производстве, легко управляются и абсолютно безвредны для организма, констатирует Дэвид Гэрсиас, возглавляющий проект в университете Джона Хопкинса. По его словам, они могут стать отличной альтернативой традиционным хирургическим инструментам. Но самым большим их преимуществом является возможность проводить диагностику организма путем взятия клеточных проб без хирургических разрезов.
НЕ РЖАВЕЙ: НАНОЧАСТИЦЫ УБЕРЕГУТ МЕТАЛЛ ОТ ВЛАГИ
Компания Battelle, один из крупнейших партнеров Министерства энергетики США, объявила о создании "умного" покрытия, которое поможет предотвращать ржавление металлов. Покрытие само распознает места, в которых металл начал ржаветь, на самых ранних стадиях, когда процесс невозможно заметить невооруженным глазом.
Интеллектуальным это покрытие делают нанотехнологии. Сотрудники лаборатории компании разработали наноматериалы, которые взаимодействуют с коррозией — вступая в реакцию с ржавчиной, они начинают флюоресцировать. Опыты пока проводились только с алюминием, однако разработчики уверяют, что химический состав покрытия в будущем может быть адаптирован практически к любому виду металла.
Актуальность изобретения в США ни у кого не вызвала вопросов. Только по оценка Министерства обороны США, коррозия оборудования, подконтрольного этому ведомству, ежегодно обходится в $10 млрд. Если покрытие, разработанное Battelle, получит широкое применение и позволит восстанавливать металлические конструкции еще до того, как коррозия станет видимой невооруженным глазом, экономия будет колоссальной.
А немецкие ученые из института Фраунгофера разработали технологическую линию, которая позволит печатать неорганические электронные компоненты по тому же принципу, по которому работают офисные принтеры. По словам руководителя проекта Михаэля Янка, в основе технологии лежат чернила из наночастиц.
Сегодня для производства микросхем повсеместно используется фотолитография — на подготовленную поверхность производится осаждение материалов, которые затем подвергаются воздействию света через маску-шаблон, благодаря рисунку которой удается засветить лишь необходимые участки схемы. При этом большая часть осаждаемых материалов не используется и затем удаляется путем травления. Учитывая в каких количествах современная промышленность производит электронные компоненты для различных видов компьютерной и бытовой техники, методика, которая позволила бы наносить материал только на участки, которые непосредственно формируют рисунок схемы, могла бы привести к многомиллиардной экономии в мировом масштабе.
Янк говорит, что компоненты произведенные по новой технологии обойдутся примерно вдвое дешевле тех, которые производятся сегодня по обычной технологии с использованием кремниевых материалов.
ЗАБУДЕМ О НЕФТИ И ГАЗЕ
Возможность практически бесконечного воспроизведения любой конструкции при наличии сырья и некоторого количества энергии — весьма небольшого, как уверяют ученые, – делает нанотехнологии универсальной технологией будущего. КПД получения электроэнергии из солнечного света, например, в случае применения нанотехнологий может достигать 90% против 20% у применяемых сегодня солнечных панелей. Это не только решает проблему энергообеспечения самих нанороботов, но и открывает широкие перспективы для решения энергетических проблем человечества.
Возможность создания конструкций на наноуровне изменит машиностроительную индустрию. Вернее, похоронит ее — отпадет необходимость в промежуточных машинах, которые необходимы для создания других машин. Их заменят универсальные наноконструкторы, способные создать любое устройство на уровне атомов и молекул.
Нанотехнологии могут обеспечить прорыв в освоении космоса, сделав возможным автоматическое строительство и самосборку орбитальных станций и роботов для исследования других планет. Энергию нанороботы будут черпать из солнца, а сырье для работы будут брать в окружающей среде.
Главные темы