Как развивались нанотехнологии: от утопии к программируемой материи

Нанотехнологии становятся неотъемлемой частью жизни современного общества. Но как они появились на свет, какой путь прошли и как они развиваются сейчас в мире и в Украине, выяснял сайт Сегодня.ua.

В поисках "философского камня"

В Средние века среди алхимиков была популярна идея создания "философского камня" – специального реагента, с помощью которого можно превращать любой металл в золото, а также создать эликсир жизни. В первой половине XIX века физики открыли, что вся материя, включая тело человека, состоит из атомов – микроскопических частиц. Тогда же ученые предположили, что достаточно немного изменить структуру вещества, чтобы произвольно поменять его форму и состав. Другими словами, превратить олово или свинец в золото.  Таким образом, старые мифы и мечты стали обретать реальные контуры.

Деоккупация юга страны – как украинские военные отвоевывают территории

Запрет на передвижение по стране для военнообязанных – все детали

Ракетные удары по мирным украинским городам - июль 2022

Ядерный терроризм россии

В 1959 году физик Ричард Фейнман, выступая перед представителями Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте, впервые рассказал о процессе, в котором ученые получат контроль над манипуляциями с отдельными атомами и молекулами. Во время той лекции Фейнман заявил: "Физик в принципе может синтезировать любое химическое вещество по написанной химиком формуле. Каким образом? Поставит атомы на те места, которые укажет химик, и таким образом построит вещество".

Выступление было признано революционным и подвигло многих ученых на исследования в этой области. В 1974 году японец Норио Танигути впервые ввел в оборот термин "нанотехнологии", которым он назвал создание микроскопических изделий размером несколько нанометров (нанометр равен одной миллиардной части метра). С этого момента нанотехнологии захватили воображение не только ученых и промышленников, но и писателей – фантастов и деятелей кинематографа.     

Нанотехнологии меняют мир

Научные диспуты по поводу необходимости изучения и развития нанотехнологий быстро превратились в ведущих мировых странах в многомиллиардные вложения средств в науку и производство. И это стало приносить ощутимый экономический эффект. Первые компьютеры, изобретенные человеком, были величиной с комнату, а сегодня они с легкостью умещаются в ладони в виде смартфона. Современные процессоры и чипы памяти компьютеров сделаны с использованием наноматериалов, а тотальная компьютеризация полностью изменила структуру общества и экономики во всем мире. 

Хотя нанотехнологии еще только начали развиваться, они уже привели к нескольким очень важным и интересным открытиям. Благодаря им стремительно развиваются всевозможные химические покрытия, когда на изделия наносится тонкий слой толщиной в несколько молекул, что значительно улучшает его свойства. Специальные покрытия оберегают нашу одежду от пятен, могут сделать ее и вовсе непромокаемой, защитят железо от ржавчины, усиливают режущие кромки ножей. В автомобильных подушках безопасности используются крохотные шарики на пружинке. Во время экстренного торможения шарик приводится в движение и порождает электрический заряд, высвобождающий путем небольшого взрыва азота действие подушки за 1/25 долю секунды. Таким образом уже была спасена не одна тысяча жизней.

Еще одна область применения нанотехнологий – протезирование. Протезы лучше всего изготавливать из легких и прочных материалов, таких как титан, обладающий химической стойкостью, небольшим весом и не содержащий  вредных для здоровья примесей. Однако его обычные механические свойства не совсем хороши для протезов. Решить проблему может улучшенный наноструктурный титан.

Мы привыкли к тому, что еда, хранящаяся в специальных упаковках, может не портиться месяцами. Тут тоже не обошлось без нанотехнологий, благодаря которым были разработаны такие упаковочные материалы, которые не пропускают внутрь бактерии, способствующие гниению пищи. Многие популярные биологически активные добавки (БАД) разработаны с применением нанотехнологий и нацелены на усиление возможностей организма. Они помогают усваивать активные компоненты пищи, улучшают умственную деятельность и дают возможность сконцентрироваться.

Будущее нанотехнологий

Одна из наиболее амбициозных задач, которую сегодня решают исследователи нанотехнологий, это разработка микроскопических машин, которые смогут лечить человека, передвигаясь непосредственно в его теле по кровеносным сосудам. Эти машины смогут доставлять противораковые лекарства непосредственно к опухоли и активировать там, что в разы снизит побочные эффекты. Дело в том, что наночастицы больше клеток крови и меньше раковых клеток, в которые они смогут проникать. Такой метод лечения не будет требовать дорогостоящих операций и может уже в скором будущем избавить человечество от этой болезни.

Еще одним чудом, над которым работают ученые корпорации Intel, может стать изобретение программируемой материи. Для того, чтобы предмет мог произвольно менять свои формы и фактически превращаться в то, что нужно его хозяину, нужно, чтобы он состоял из программируемых  микроскопических  частиц.  Тогда любой желающий сможет менять мебель в квартире, ничего не выбрасывая и не покупая, превращать свое авто в модель с новым дизайном, а телефон — в компьютер. Эта технология может стать реальностью уже в ближайшие десятилетия, когда будут разработаны компьютерные чипы размером с песчинку. После этого они смогут соединяться в любые причудливые формы, запоминать свои превращения и быть функционально пригодными, а не только визуально похожими на предметы.

Известный американский ученый Эрик Дрекслер в своей книге "Машины созидания", изданной еще в 1986 году, утверждает, что рано или поздно все изделия будут производиться на молекулярном уровне с помощью специальной машины – репликатора. И несмотря на то, что многие физики считают эту идею нереализуемой, научное сообщество продолжает поиски ее практического применения.  Будь такая машина создана, человек смог бы создавать с ее помощью любые объекты, которые нарисует его воображение. Даже копии самого себя, вплоть до соответствия прототипу на клеточном уровне.

Пока "машины созидания" не построены, люди продолжают исследовать новые возможности, которые дают им нанотехнологии. Европейское космическое агентство (ЕКА) заявило недавно о готовности соорудить на Луне космическую базу с помощью 3D принтера. Проект выглядит так – вокруг надувного жилого отсека 3D принтер возводит прочную оболочку, состоящую из лунного грунта, которая защитит астронавтов от космической радиации. ЕКА заявляет, что уже к 2020 году проект будет готов к реализации. Таким образом, то, что еще недавно казалось утопией, вполне вероятно воплотится в реальности.

Украинская наука: отрицательная селекция

Что касается Украины, дорогостоящие научные исследования в области нанотехнологий нам пока не по карману. На финансирование всей Национальной академии наук Украины в 2016 году государство выделило 2,5 млрд грн. Это привело к замораживанию программ, направленных на развитие исследований. За последние двадцать лет количество ученых в Украине снизилось в три раза.

Тем не менее, украинцы умудряются развивать нанотехнологии и получать перспективные результаты. Например, в тесной работе с медиками и биологами, группа украинских специалистов приблизилась к выработке эффективных средств для борьбы с болезнями Альцгеймера и Паркинсона, поражающими клетки головного мозга. С помощью нанотехнологий были найдены вещества, на основе которых можно разработать лекарства, препятствующие развитию этих болезней. Плод этой работы – сугубо украинская разработка, несмотря на то, что этой проблематикой заняты многие исследовательские группы по всему миру.

Кроме этого, в Украине ежегодно проводится конференция по нанотехнологиям и наноматериалам. Последняя встреча NANO-2015 прошла 26-29 августа прошлого года в помещении Львовского Национального университета им. И. Франко. В ней приняли участие специалисты из более чем 20 стран мира, среди которых ученые из Украины, Германии, Турции, Польши, Алжира, Грузии и Тайваня.

"Мы активно занимаемся исследованиями в области нанотехнологий, в частности, работаем со сканирующей туннельной микроскопией и атомносиловой микроскопией. Эти технологии позволяют оперировать объектами, размер которых составляет одну миллиардную часть метра.  Совместно с учеными из Франции и Голландии мы работаем над фотопереключающимися слоями или фоточувствительными молекулами, которые могут улучшить свойства сенсоров, а также разрабатываем катализаторы (вещества, ускоряющие химическую реакцию)", – говорит молодой ученый Антон Сененко, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник Института физики НАН. 

Не смотря на то, что денег постоянно не хватает, а все оборудование для работы с нанотехнологиями  закупалось в середине нулевых годов, ученые не сдаются и активно участвуют в грантовых программах. Однако государственный грант в 100-200 тыс. грн равен двум стипендиям французского аспиранта и на эти деньги науку далеко вперед не продвинешь. Для понимания, современная технологичная установка, необходимая для исследований, стоит до миллиона евро.

"Сейчас идет упор на то, чтобы наука жила за счет грантовых денег, когда ученые делят между собой гранты по прозрачной схеме.  Это правильно, но все равно остается базовый конфликт. Без государственного финансирования наука не сможет существовать. Я долго работал во Франции. Везде, где есть фундаментальная наука, обязательно присутствует базовое финансирование, т.е. ставка ученого, которая позволяет ему не умереть с голоду. А гранты позволяют ему получать средства на закупку нового оборудования и расширение деятельности.  Наша проблема в том, что нет ни зарплаты, ни нормальных грантов", – утверждает Антон Сененко.

Пока будущее нанотехнологий в нашей стране выглядит не очень перспективно. Однако мировые исследования в этой области продолжаются. Возможно, что уже через несколько десятков лет машины, созданные на основе нанотехнологий, будут производить все необходимое для жизни, а сами люди смогут заниматься исключительно наукой и творчеством.