Нанотехнологии - ХХI век

Вероятно, многие из нас на уроках физики, глядя на нарисованные «кружевные» структуры атомов и молекул, задавались вопросом: «Как так может быть, что твердое тело, например, вот эта блестящая стальная пластинка может иметь какие-то пустоты между шариками атомов, и зачем там есть еще свободное пространство внутри самих атомов, где по разным разнесенным друг от друга орбитам вращаются электроны? И что это за пространство?» И успокаивали себя: «Все равно это никто не сможет увидеть».

Даже слова известного физика-атомщика, нобелевского лауреата, Ричарда Фейнмана, что «там, внизу - полным-полно места» («There's Plenty of Room at the Bottom» - именно так, подразумевая атомарные уровни, он озаглавил свою речь) были восприняты в 1959 году его коллегами - физиками в Калифорнийском технологическом институте чисто теоретически - еще не существовало и намека на технологии, позволяющие оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне, подобно кирпичикам из набора LEGO. И его предложение премировать 1000 долларами (тогда это была серьезная сумма!) того, кто сможет разместить моторчик в кубике с линейными размерами 0,4 мм или уменьшить текст в 25000 раз, было воспринято как «шутка гения».

Однако речь Феймана не забыли и теперь его называют «отцом нанотехнологий», хотя понятие «нанотехнологии» ввел в обращение в 1974 году японец Норё Танигути для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. Но и в том 1974 году до реализации этой технологии было еще далеко - Танигути опередил события на 20 лет. Такая возможность появилась лишь на рубеже нового столетия, когда появились мощные микроскопы и уникальные «пальцы», позволяющие «пощупать» отдельные молекулы и атомы.

Нанотехнология – это манипулирование с объектами размером в одну миллиардную часть метра - нанометр, размер атома. В отличие от прежних электронных приборов прошлого века, которые позволяли лишь наблюдать крупные объекты наномира, новейшие микроскопы дают потенциальную возможность строить в наномире из атомов новые молекулы с новыми свойствами. Эти микроскопы иногда именуют нанозондами, поскольку они скорее «щупают», чем видят. В таких растровых микроскопах наблюдение и манипуляция едины, как пальцы на руке незрячего человека.

Наконец, другой японец, Сумио Иидзима, профессор университета Мэйдзё снискал мировую известность, создав в 1991 году из фулерена - сверхтонкого углеродистого материала углеродные нанотрубки, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки и стали первым реальным наноматериалом, на основе которого строятся сейчас различные вещи, предлагаемые на рынке новых товаров.

Вид углеродной нанотрубки, увеличенный в 100.000.000 раз. Молекула нанотрубки содержит более 1 миллиона атомов углерода и представляют собой трубку с диаметром около нанометра (то есть толщина такой трубки в 50-100 тысяч раз тоньше человеческого волоса!).

Открытие Сумио Иидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. Предсказывают, что лет так через десять-двадцать нанотехнологии войдут в обиход каждого человека на Земле, а сами нанотехнологии приведут к небывалой, грандиозной научно-технической революции, которая кардинально перевернет всю нашу жизнь. Сейчас Япония является мировым лидером по созданию наноматериалов. В США эти работы также щедро финансируются как государством, так и бизнесом и даже частными лицами. Мировые эксперты прогнозируют рост наноиндустрии к 2010 году в объеме до триллиона долларов! То, что казалось фантастикой, далекой от реальности, ворвалось в наш мир, открывая перед нами необычайные перспективы, самые радужные ожидания и... страшную тревогу за наше будущее.

	Механосинтез с помощью атомно-силового микроскопа. Это уже реальный эксперимент переноса отдельных атомов в структуре молекулы. Показана схема переноса и вид молекул, наблюдаемый на экране микроскопа.

Нанотехнологии сулят человечеству не больше и не меньше как управляемое и контролируемое построение новой материи - причем как «мертвой», так и «живой». Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструировать из атомов с помощью механической наносборки новые материалы с заданными характеристиками, сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как, например, это происходит в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы - наномашины. Объединение этих трех направлений грозит привести к созданию незнаемой доселе искусственной жизни, взращенной людьми, вроде бы, как на благо людей.

Определенная угроза состоит в том, что нанообъекты сначала надо построить и только потом можно изучать, что это за новые объекты, и какими свойствами они обладают. При этом изменения свойств или приобретение новых свойств могут происходить помимо желания человека.

Чего можно ожидать от нанотехнологий? Уже появились серьезные люди, которые с серьезным видом заявляют о скором создании «умных» нанороботов - устройств размером в десятки нанометров, которые будут самостоятельно манипулировать атомами под управлением нанокомпьюторов тех же размеров. Нанороботы будут обладать способностью самовоспроизведения, и смогут создавать из произвольного органического и неорганического подручного материала любые заданные программой предметы. В итоге нанороботы смогут создать любой предмет или существо. Без таковых нанороботов перспективы нанотехнологий смотрятся менее радужно. Дело в том, что построение нанообъектов человеком является задачей достаточно сложной – сборка должна производиться в условиях глубокого вакуума, при низких температурах (помните из школьной физики, что температура – это скорость движения атомов?). Вручную много атомов - кирпичиков быстро не соберешь.

Нанороботов разделяют на два вида: ассемблеры, которые будут строить нанообъекты, в том числе и самовоспроизводиться, и дизассемблеры, которые будут разбирать вещества и сортировать атомы. На базе нанороботов будут строиться (ими же!) нанофабрики, которые будут также автоматически создавать предметы уже нормальных зримых размеров. В качестве сырья им потребуются самые распространенные элементы – атомы кислорода, водорода, азота, углерода и в меньшем количестве – более редких элементов. Из этого сырья нанофабрики по программам, заданным человеком, могут строить все – и материалы, и пищу, и одежду, и органические живые (sic!) существа.

Вот модель наноробота-манипулятора на базе "двойного трипода" в представлении Криса Феникса, директора CRN по разработкам, автора проекта нанофабрики

Сегодня в сфере наномира одним из самых важных направлений становится биоорганические технологии, куда направлены очень большие инвестиции. Ученые уже достаточно близко подошли к моделированию построения структур живой материи, которая, как известно, отличается от неживой способностью к самопостроению и к саморегуляции. Уже освоенный и даже отмеченный Нобелевской премией метод создания структур с помощью квантовых точек и есть самая настоящая саморегуляция неорганической материи. Дальнейшее развитие этого метода может привести к перевороту в науке и в жизни – будет возможно создание бионических приборов, клеточных мембран из биоорганики, даже биологических органов и объектов, вплоть до отдельных искусственно собранных, но «живых» органов человека и в пределе – построения самого совершенного компьютера, которым является человеческий мозг.

Благодаря нанотехнологиям ученые впервые в истории приступают к синтезу. Раньше наука занималась анализом. Это качественное изменение мира науки. Впервые человек пытается присвоить себе функции Творца, пробуя получить возможность по своей воле создавать новый мир на основе биоорганики, которая соединила физику и молекулярную биологию. Простят ли нам это вторжение?

Кстати, исследовательская группа Чикагского Университета получила премию Фейнмана - они изобрели метод, названный ими dip-pin lithography, позволяющий чертить линии шириной в несколько атомов на поверхности золота. А Фейнмановский приз за «наномоторчик» был получен в 1997 году лабораторией компании IBM - Research Division Zurich Research Laboratory за создание пропеллеобразной молекулы, которая может сама вращаться на медной поверхности.

А где позиция России в нанотехнологической гонке? В отличие от прошлого упадка в научном развитии, из-за которого мы безнадежно отстали в области компьютерных технологий, IP- технологий и биотехнологий, здесь у нас есть пока реальные шансы быть в первых рядах. Наши ученые и даже руководители страны сознают важность этого направления, по крайней мере, на словах. Мы пока ни от кого не отстали в нанотехнологиях. Кто-то метко заметил: «все стоят в дверях, но в дверь никто не вошел». Из десяти источников синхротронного излучения, имеющихся в Европе, два работают в России - в Новосибирске и в Курчатовском центре, а третий почти готов в Зеленограде. Еще один синхротронный источник может быть построен в Дубне. Лучшие в мире сканирующие зондовые микроскопы, которые работают в 90 институтах РАН, созданы в Зеленограде и уже несколько лет приобретаются Европой.

Предлагаемая схема автоматического атомного сепаратора молекул. Ниже его представление в атомарной структуре

В России создано Молодежное Научное Общество по нанотехнологиям (МНО), которое проводит активные работы в области нанонауки и нанотехнологий. Созданный год назад их силами сайт http://www.mno.ru/ стал очень популярным и у нас и за рубежом. Там публикуются очень интересные и важные аналитические и научно-популярные статьи. С помощью МНО и при поддержке ученых РАН разработан первый школьный учебный курс по нанотехнологии. Разрабатываются лабораторные работы на базе имеющегося высокотехнологичного оборудования. В апреле 2005 года был успешно проведен Конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший неподдельное восхищение российских ученых и…явное раздражение и испуг в некоторых кругах в США.

Пока это все – только начало. Нет сомнения в том, что в ближайшее время нанотехнология будет широко применяться в самых разных областях прикладной науки и промышленности, включая производство новых видов материалов, систем телекоммуникации, источников энергии и методов лечения. Не исключено, что первой областью, где найдут применение возможности нанороботов, станет медицина.

До недавнего времени никто даже не предполагал, что нанотехнология будет иметь столь обширное практическое применение. Однако при этом возникают определенные опасения, насколько мудрыми люди окажутся в использовании этих достижений.

Естественно, что появляется огромная угроза возможной потери контроля человеком над этими процессами. Если в Японии перспектива развития нанотехнологий представляется преимущественно в радужном свете, то в других странах этот путь считается не столь очевидным по причине определенной и достаточно обоснованной тревоги по поводу возможного неблагоприятного воздействия продукции нанотехнологий на человека и на окружающую среду. Достаточно большое число влиятельных людей и организаций в западном мире призывают к установлению моратория на производство и на коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий. До тех пор, пока не будет достоверно определены все возможные последствия их применения и до тех пор, пока не будет создан и одобрен всем мировым сообществом строгий свод правил для защиты человечества от угрозы для его существования. Аналогия с угрозами генной инженерии достаточно очевидная.

Год назад конгресс США принял закон, обязывающий американское правительство изучить все возможные формы воздействия продуктов нанотехнологии на общество, окружающую среду и здоровье человека. Правительство Великобритании сформировало консультативный совет по этическим проблемам, связанным с применением нанотехнологии. Главным предметом изучения совета являются возможные злоупотребления при попытках создания биологического оружия. У нас также ученые достаточно осторожно выражаются по этому поводу, считая, что до реального производства нанороботов еще далеко. Лишь бы здесь не оправдалась поговорка «Пока гром не грянет…». О государственной оценке потенциальной угрозы неконтролируемого развития нанотехнологий тоже пока не известно.
Еще страшнее, если эти технологии попадут в грязные руки. История показывает, как могут использоваться самые лучшие научные достижения для уничтожения друг друга. Тех, кто разделяет эти тревоги, именуют «наноапокалиптиками». Наноапокалиптики говорят о неминуемости войн, которые могут вести сами нанороботы-дизассемблеры, разрушая все на своем пути и размножаясь при этом разрушении. И тогда очень скоро у этих нанороботов могут появиться свои собственные интересы, которые не будут иметь ничего общего с интересами человека. Потому уже всерьез рассматриваются и ставятся задачи по созданию защитных средств для уничтожения вышедших из повиновения нанороботов на манер борьбы с бактериями, представляющими по существу живые аналоги нанороботов.
Одним словом, нас ожидает наномир, о котором мы знаем пока еще очень мало.
Почти ничего не знаем.

Заявленные перспективы применения нанотехнологий:

В МЕДИЦИНЕ

Огромные возможности. Например, создание нанолекарств, которые будут доставляться кровопотоком непосредственно к больному органу человека. Уже созданы некоторые нанопрепараты, например, нано-аспирин. Ученые из Массачусетского технологического института разработали и испробовали на практике «наноснаряды», разрушающие раковые клетки. У раковых клеток диаметр пор составляет около 400-500 нанометров, в то время как у здоровых клеток поры значительно уже. «Наноснаряды» диаметром 200 нанометров не проходят в здоровые клетки, но зато легко проникают в поры раковых клеток и разрушают их изнутри. Опыт на мышах показал высокую эффективность такой нано-химиотерапии. Планируется проверка этого метода на людях.

Наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе. На этом пути наноробот сможет исправить характеристики тканей и клеток, очистить организм от микробов и молодых раковых клеток, от отложений, к примеру, холестерина.

Вооружившись нанотехнологиями, ученые уже подступаются к гемофилии, болезни Альцгеймера, врожденным патологиям В перспективе планируется создание нанороботов - врачей, которые могут быть внедрены в человеческие организмы и смогут самостоятельно устранять возникающие патологии или предотвращать их. Возможно, появится способ лечения и генетических патологий.

Прогнозируемый срок реализации - первая половина XXI века.

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В этой области уже имеется наиболее далекое продвижение. Созданы и промышленно выпускаются, и предлагаются на рынке большое число наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных материалов, которые могут найти применение во многих секторах промышленности. Но основным направлением развития нанотехнологий в этой области будет замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. Причем возможно создание «персональных» синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих каждому человеку изготовить любой предмет по своему желанию.

Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.

В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Здесь нанотехнологиям придается огромное значение. В ведущих странах мира ведутся крупномасштабные исследования в интересах военных, например, возможности создания «невидимых» военных объектов и, наоборот, средств противодействия «невидимости», самовосстанавливающихся военных механизмов, сверхпрочной брони, новых систем связи и разведки, сверхпрочной военной амуниции, повышения живучести всех военных объектов и так далее. Планируется, что в 2008 году будут представлены первые боевые нано механизмы, системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Производители уже получают первые контракты на наноустройства. К примеру, армия США заказала разработку военной формы будущего. Первые практические результаты ожидаются в ближайшие годы этого века.

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире, считают авторы статьи, опубликованной в журнале PLoS Medicine. Среди главных задач были названы очистка воды, хранение экологически чистого топлива и увеличение плодородности почв. По мнению экспертов, исследования в этих областях, которые ведутся сейчас, позволяют воспринимать всерьез призыв ООН – «победить бедность к 2015 году».

Предполагается, что нанотехнологии смогут, наконец, решить проблему бедности и голода путем замены "естественных механизмов" производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут выполнять те же химические процессы, что происходят в живом организме или в растении и вырабатывать те же продукты, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. В домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. Таким образом, подобное "сельское хозяйство" будет независимо от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов. Нанотехнологии позволят решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.

В БЫТУ

Здесь помимо уже предлагаемых продуктов и даже косметики, созданных с применением нанотехнологий возможно найти массу применений, включая «построение» одежды с заданными свойствами, видом и цветом, мебели, украшений – вообщем в будущем можно предполагать любую фантазию, которая может быть легко и без особых затрат превратиться в реальность. В некоторой степени применение технологий в быту уже началось и будет развиваться постоянно, поскольку бытовое потребление во многом определяет экономику нанотехнологий.

В ГЕРОНТОЛОГИИ

Нанотехнологии предвещают 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, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.

Прогнозируемый срок реализации: вторая половина XXI века.

В БИОЛОГИИ

Станет возможным "внедрение" в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

В ЭКОЛОГИИ

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

ДЛЯ ОСВОЕНИЯ КОСМОСА

Уже полным ходом ведутся проекты по созданию «космического лифта», задуманного еще Циолковским. Принципы всемирного тяготения позволяют протянуть от Земли в космос некоторый трос, по которому можно подниматься в космос как на лифте. Нанотехнологии позволят создать из нанотрубок такой сверхпрочный и сверхлегкий трос и воплотить эту мечту в реальность. Помимо этого проекта рассматривается возможность освоения других планет нанороботами. Нанороботы смогут подготовить, например Марс или Луну пригодной для заселения человеком, построят там из природных материалов космические станции.

Прогнозируемые сроки – вторая половина ХХ! века.

В КИБЕРНЕТИКЕ

Ученые работают над созданием робота размером с молекулу - "вечного" элемента питания, который не будет нуждаться в подзарядке

Нанотехнологии могут реально осуществить переход от ныне существующих планарных структур микросхем к трехмерным микросхемам, при этом размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.

Прогнозируемый срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.

Некоторые реальные примеры рекламных объявлений

Нано-носки NanoPro Sport

Уникальный материал этих носков, содержащий экологически чистые наночастицы, благотворно влияет на состояние организма. При взаимодействии с кожей этот материал вызывает легкий тепловой эффект, оказывающий благотворное воздействие: стимулирует кровообращение, улучшает внутриклеточные метаболические функции и микроциркуляцию, помогает клеткам кожи эффективнее выводить воду и шлаки. Кроме того, наночастицы серебра оказывают антибактериальное действие, препятствуя появлению бактерий, вызывающих грибок и дурной запах.

Основные преимущества носков NanoPro Sport: стимулируют акупунктурные точки стоп и лодыжек (легкий массажный эффект); улучшают микроциркуляцию крови; уменьшают мышечное напряжение, снимают усталость; препятствуют появлению бактерий и запаха; обеспечивают комфорт в течение целого дня. Цвет: белый. Размер: муж/ж

Материал, из которого изготовлены все представленные нанопродукты, не содержит ингридиентов, которые могут вызвать аллергию, раздражение кожи или повредить ее естественному функционированию

Стоимость –10 у.е.

На дворе ХХI век – время невероятных возможностей! Время, когда современные технологии способны продлить молодость, способны сохранить здоровье и отличный внешний вид на долгие годы! Воспользуйтесь этой возможностью – познакомьтесь с первой в мире линией косметики, изготовленной с помощью нанотехнологий – косметикой LEOREX!

Cамоочищающееся покрытие для лобового стекла

Самоочищающееся нанопокрытие - это специальный нанотехнологический продукт для придания эффекта самоочищаемости стеклам и зеркалам автомобиля.
Наночастицы присоединяются к молекулам материала и позволяют поверхности отторгать грязь и воду. …

Единожды используйте комплект для обработки ветрового стекла Вашей машины и покрытие будет действовать 4-6 месяцев: отталкивать дождь, снег и насекомых и предотвращать намерзание льда. Стеклоочистители при этом подвергаются меньшему износу, а блики сводятся к минимуму.

Стоимость салфетки – 12 у.е.

Это не слой герметика, а модификация поверхности на молекулярном уровне для получения ультратонкой устойчивой легкоочищаемой поверхности.
На микроскопическом уровне стекло не совсем гладкое, поэтому обычно вода или грязь легко прилипают к нему. Нанопокрытие позволяет воде и грязи беспрепятственно стекать, оставляя стекло кристально чистым.

Интересные сайты на эту тему:
www.nanonewsnet.ru
www.nanotech.ru
www.nanorf.ru
www.nanoworld.org

Фотографии взяты из сайта www.nanonewsnet.ru