На заседании правительства, посвященном развитию нанотехнологий, премьер Михаил Фрадков сказал замечательную фразу: Половина из присутствующих не знает, что такое нанотехнологии, но знает, что без этого жить нельзя . Еще он сравнил новую государственную программу по значимости для страны с атомным проектом. Министр Андрей Фурсенко осторожно поправил: атомный проект был направлен на создание конкретного продукта, но нанотехнологии открывают новый мир по многим направлениям.
Вряд ли этот диалог разъяснил, что такое нанотехнологии, и приоткрыл дверь в новый мир. Тем не менее на развитие нанотехнологий выделены средства, которые давно не получала наша наука, — 30 млрд руб. Мировой же рынок нанотехнологий в ближайшие 10 лет на 20% превзойдет рынок электроники и в 2 раза обгонит медицинский рынок. Похоже, настает момент, когда не знать, что такое нанотехнологии, так же невыгодно, легкомысленно и опасно, как не уметь пользоваться компьютером.
Термин нанотехнологии в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанометр — одна миллиардная часть метра. Иными словами, нанометр — 10-9 метра. Размер атома — несколько десятых нанометра. Размер рибосом и некоторые компоненты транзисторов — 20 нанометров. Размер белков поламинов — от 50 до 900 нм. Шероховатость поверхности космического телескопа Ньютон — половина нанометра.
Мир состоит из атомов. Об этом 2400 лет назад сказал древнегреческий философ Демокрит. Древнеримский поэт Лукреций посвятил атомам поэму, где писал, что они отличаются размерами и весом. Но это были спекуляции. Впервые атомы удалось увидеть только в ХХ веке. Атомы очень малы, в капле дождя 1 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Атом железа во столько же раз меньше теннисного мяча, во сколько раз этот мяч меньше земного шара.
Первые технические средства в этой области были изобретены в швейцарских лабораториях IBM. Огромную роль в исследовании наномира сыграли два события. Первое — создание сканирующего туннельного микроскопа и сканирующего атомно-силового микроскопа (Нобелевская премия 1992 года), что позволило не только рассматривать отдельные атомы в кристалле, но двигать и переставлять их в нужном порядке. И второе — открытие новой формы существования углерода в природе — фуллеренов (Нобелевская премия 1996 года), что дало возможность создавать трехмерные структуры.
В 1965 году основатель фирмы Интел Гордон Мур сформулировал закон: емкость микросхем удваивается каждые 1,5 года. В последние годы закон стал подвергаться сомнению из-за человеческого фактора: производительность труда конструкторов увеличивается только на 20% в год. Росту емкости микросхем противоречит Второй закон Мура: уменьшение размеров структур влечет за собой увеличение стоимости. Однако нанотехнологии опровергли эти тенденции. Процессоры сейчас оснащаются структурами размером менее 100 нм, где умещается более 100 миллионов транзисторов. По прогнозам, к 2010 году появятся структуры размером 45 нм, и на одном чипе уместится более 1 миллиарда транзисторов. Микросхемы на основе углеродных нанотрубок будут расти в высоту, станут трехмерными. Скорости компьютеров вырастут до невообразимых пределов. Еще одну революцию, которая продлит жизнь закону Мура, обещают вычислительные процессоры на вращающихся электронах, где помимо электрических свойств электрона впервые будут использованы его магнитные свойства.
Перечислять все области, где нанотехнологии перевернут существующие порядки, невозможно. Потому что исключений не видно. Прежде всего, это значительная экономия ресурсов, сокращение потребляемых материалов. Основа основ — энергетика с ее огромными масштабами тоже не останется в стороне. Возможны новые способы производства электроэнергии, которые прежде из-за качества материалов были неэффективны. Уже ведутся работы по созданию термоэлектриков, которые позволят получать тепло прямо из электричества, а электричество — из тепла, как это происходит в маленьких сумках-холодильниках в автомобилях. В химической промышленности этот метод позволит превращать бросовое отработанное тепло в электричество. Страны, имеющие дешевые источники тепла, вроде Исландии с ее геотермальным теплом, буквально озолотятся.
Все предыдущие научно-технические революции сводились к тому, что человек все более умело копировал механизмы и материалы, созданные Природой. Прорыв в область нанотехнологий — совсем другое дело. Впервые человек будет создавать новую материю, которая Природе была неизвестна и недоступна. В этом отношении между человеком и Творцом разницы уже не будет. Человек поднимается на равную ступеньку с Творцом. Страшно? Вроде бы христианство к тому и зовет человека…
Здоровье — дело тонкое
Прогресс медицины состоит в том, чтобы проникнуть во все более тонкие системы организма. Нанотехнологии открывают немыслимые возможности. Может быть, это вообще предел развития медицины, венец врачебных мечтаний. Наноконтейнеры с антенной из антител сенсорных белков будут путешествовать по организму, направляясь с лекарством прямо к источнику заболевания, чтобы свести к минимуму побочные эффекты. Это означает революцию в онкологии, и некоторые методы уже проходят клинические испытания на Западе. Самая невероятная, но уже решаемая задача — нейропротезирование для частичного восстановления зрения и слуха, что предполагает создание человеко-машинного интерфейса для зрения. Уже разрабатываются нанотехнологические системы, которые улучшат уход за пациентами преклонного возраста, которые нуждаются в уходе. Наноэлектронные датчики, вплетенные в ткань одежды, будут контролировать состояние здоровья пожилых людей и в случае необходимости подавать аварийный сигнал.
Россия должна толкнуть дверь
Один из важнейших приоритетов — биоорганическое материаловедение на основе нанотехнологий, где бум только начинается. Все страны стоят еще в дверях, но в дверь никто не вошел. Позиции России сильны, мы можем войти в дверь первыми. Скоро ученые начнут работать на атомарном уровне, строить материалы с совершенно фантастическими свойствами. Фактически наука подошла к моделированию принципов построения живой материи, которая основана на самоорганизации и саморегуляции. Уже освоенный метод создания структур с помощью квантовых точек — это и есть самоорганизация. Переворот в цивилизации — создание бионических приборов, клеточных мембран из биоорганики, даже биологических органов и объектов, вплоть до глаза, печени, кожи и совершенного компьютера, которым является мозг. Это революция, которой цивилизация не знала. Возникнет целый комплекс новых этических проблем. Не вижу ничего страшного в том, что человек по потенциалу сравняется с Творцом, если принять гипотезу о его существовании.
Генеральный директор РНЦ Курчатовский институт , ученый секретарь Совета по науке, технологиям и образованию при президенте РФ, член-корреспондент РАН Михаил КОВАЛЬЧУК
Почему пауки и ящерицы бегают по потолку
Ящерица геккон может легко взбежать вверх по стене, ползать по потолку и даже висеть на нем на одной ноге. Весь секрет в том, что необразованный геккон освоил нанотехнологии. Лапка геккона покрыта очень тонкими волосками, которые соприкасаются с поверхностью на расстоянии в несколько нанометров. Образуется известная в физике связь Ван-дер-Ваальса, которая сама по себе слаба, но удерживает геккона благодаря миллионам точек сцепления. Механизм — вроде липкой ленты. Появление искусственного геккона произойдет со дня на день. Механизм передвижения по стенам у мух, пауков, всяческих жуков абсолютно тот же, что у гекконов.
Ожидается, что в скором времени будут расшифрованы и, может быть, повторены и другие нанотехнологические механизмы живой природы: способ сцепления моллюсков со скалой, защитная реакция сосудов на укус комара, биоминерализация водорослей, оптические ухищрения морской звезды, все тело которой является одним сложным глазом.
Морская пена и запах фиалок
Если стальной кубик или кристаллик соли, сложенный из одинаковых атомов, может обнаруживать интересные свойства; если вода из простых капелек, не отличимых друг от друга и покрывающих миля за милей поверхность Земли, способна порождать волны и пену, гром прибоя и странные узоры на граните набережной; если все это, все богатство жизни вод — всего лишь свойство сгустков атомов, сколько же еще в них скрыто возможностей? Если вместо того, чтобы выстраивать атомы строй за строем, колонну за колонной, даже вместо того, чтобы сооружать из них замысловатые молекулы запаха фиалок, если вместо этого располагать их каждый раз по-новому, в новой мозаике, не повторяя того, что уже было, — представьте, сколько необыкновенного, неожиданного может возникнуть в их поведении.
Нобелевский лауреат Ричард Фейнман
Наночастицы атакуют человека
В романе Майкла Кричтона Жертва полчища умных наночастиц объединяются и образуют разумные существа, которые нападают на своих создателей. Основоположник нанотехнологий Эрик Дрекслер видит угрозу в появлении серого клея , массы нанороботов вроде толстых и липких пальцев, которые выйдут из-под контроля и поглотят человека со всеми его творениями. Лауреат Нобелевской премии 1996 года Ричард Смоли считает, что особенности химических связей наночастиц не позволят соединяться друг с другом всем атомам и молекулам, и миру превращение в серый клей не грозит. Однако опасность может состоять в нежелательном воздействии наночастиц на человека и окружающую среду. Микроскопические размеры позволят наночастицам без помех, как пыль попадает в легкие, пройти сквозь все биологические барьеры, даже на пути в мозг и кровь, но об их безопасности сегодня известно очень мало.
Сергей ЛЕСКОВ
http://www.inauka.ru/