Новая промышленная революция

Итак, прозвучало одно из ключевых слов XXI века – «нанотехнология», то есть создание материалов и объектов размером в нанометры. Без нанотехнологии, зародившейся лишь в последней четверти века минувшего, невозможно развитие микроэлектроники, биотехнологии, энергетики, робототехники, оптики, фармацевтики. Европейский Союз выделяет на ее развитие больше денег, чем наши власти – на всю российскую науку: по данным на 2004 год, 2,1 миллиарда евро, или двенадцать процентов от общего финансирования научных работ. Нанопродукты – огромный технологический рынок будущего.

Возможно, уже лет через десять появятся работающие механизмы атомарных размеров. Лет через 50 – 100 начнется «новая промышленная революция»: тогда, может быть, войдут в обиход наномашины, изготавливающие различную продукцию.

Конечно, энтузиасты без запинок отвечают, что произойдет в скором будущем. Нанороботы примутся конструировать из отдельных атомов любые предметы – микросхемы, транзисторы «и даже сэндвич с сыром», говорит Пол Грин, директор калифорнийской фирмы «Nanothinc». Или, как отмечает директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин: «Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые «строительные блоки», которые составят основу будущей промышленности». Сперва ученые хотят научиться собирать объекты размером с молекулу, а потом и более крупные объекты.

По мнению Пола Грина, будущее принадлежит фабрикам, работающим по тому же принципу, что и живая клетка. Сперва нанороботы будут конструировать свои копии. Если допустить, что каждые полчаса робот будет сотворять себе подобного, то уже через тридцать часов их число достигнет триллиона. Несметные полчища роботов начнут мастерить все, что угодно.

С точки зрения законов физики, нет ничего странного в том, что мы будем соединять одни молекулы с другими. Но как мы сообщим каждой из молекул ее точное положение внутри будущего предмета? На практике это означает невообразимое: всего один грамм графита, то бишь углерода, состоит из 50 секстиллионов молекул. Сколько же мороки уйдет на то, чтобы методами нанотехнологов изготовить простой карандаш с грифелем? Как описать эту мегаконструкцию, возведенную из отдельных атомов?

Представьте себе, что вам нужно возвести многоэтажный кирпичный дом. Вы собираетесь строить его по‑новому: без помощи каменщиков. В каждый кирпич вы вмонтируете моторчик и снабдите его блоком памяти. Вы введете туда точные координаты его будущего места: этот уляжется в шестом ряду западной стены (позиция 647), этот – в двадцать четвертом ряду южной стены (позиция 2415). Наконец, после многодневной подготовки вы командуете «Пуск»: груды стройматериала приходят в движение. «Атом за атомом», кирпич за кирпичом, все это скользит по ленте транспортера, занимая положенные места. Но сколько же времени потеряно из‑за вашей «революции в строительстве»? Не проще ли было нанять каменщиков? Уровень развития нанотехнологий пока таков, что нет никакого смысла стремиться к осуществлению многих предлагаемых прожектов. Можно лишь мечтать о них, ведь они заведомо неэффективны.

^{Этот «букет цветов» изготовлен британскими нанотехнологами из карбида кремния. Он в тысячи раз тоньше человеческого волоса}

Как и в случае с микросхемами, миниатюризация имеет свои пределы. Не все можно уменьшить до атомарных размеров. В микромире нас подстерегают неожиданные эффекты. Там зубчатые передачи будут выходить из строя только потому, что сила притяжения между колесами будет заметно больше силы тяжести. Там части механизмов будут слипаться под действием адгезии. Там взыграют квантовые эффекты. Там все иначе, чем в видимом мире.

Кроме того, дальнейшее развитие нанотехнологий вызывает опасение у многих специалистов, видящих в ней угрозу человечеству. Как емко выразился Александр Семенов на страницах журнала «Знание – сила», «даже от атомного оружия можно спрятаться под землю. От всепроникающих нанороботов спрятаться нельзя».

По мнению критиков нанотехнологий, полагаться на добрый разум незримых роботов все равно, что выпускать на свободу микробы из бактериологических лабораторий. Одни будут сами проникать в человеческие клетки; другие примутся мастерить аппараты, способные на это. Что ж, хранителями знаний станут они – роботы; мы же – «мертвой Природой», полем их деятельности, их «собаками Павлова». Возможно, нанооружие будет уничтожать огромные общности людей, объединенных каким‑либо одним генетическим признаком. На новом витке вооружений человек становится еще обреченнее на смерть. В мире нанороботов, этих «микроорганизмов» будущего, он – всего лишь «одна из самых слабых машин», которую можно так же бесцеремонно починять, как мы починяем и переделываем какой‑нибудь жигуленок. Умные машины могут охотиться на него, как индейцы и янки – на стада бизонов, сводя к нулю миллионные поголовья людей.

^{С помощью растрового туннельного микроскопа можно изготавливать наноструктуры}

Впрочем, пока заботы нанотехнологов довольно будничны. «Микроскопические» успехи здесь принимаются на ура. Весной 2000 года японские ученые из компании NEC изготовили переключатель размером менее 10 нанометров. Переключение осуществляется с помощью отдельных электронов. Незадолго до этого немецкий физик Райнер Кассинт продемонстрировал самое маленькое в мире сопло, чей диаметр в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса.

Однако сказанное не означает, что у нанотехнологии пока нет особых перспектив. Так, химическая нанотехнология уже сейчас созрела для промышленного применения. Поверхности различных материалов можно покрывать наночастицами, содержащими всего несколько сотен атомов или молекул. Эти частицы в тысячи раз меньше живой клетки. Их нельзя удалить; их сила сцепления слишком велика. Они меняют свойства подложки, придавая необычайную прочность и стойкость обычным материалам; те могут стать, например, пуленепробиваемыми.

Как подчеркивает физик Ю. Свидиненко на страницах журнала «Наука и жизнь», «нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов». Например, температура плавления частиц золота размером 5 – 10 нанометров на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 кубический сантиметр.

Наука и промышленность возлагает большие надежды на наноматериалы. Они тверды, жестки, прочны и обладают особыми оптическими свойствами. Нанопорошок из крохотных шариков, трубочек и иголок является основой создания прозрачной керамики, плоских телеэкранов и электропроводящих полимерных пленок. Наночастицы, окруженные слоем органического материала, образуют чрезвычайно стойкие лаки. Мельчайший порошок диоксида титана особенно эффективно защищает дерево, кожу и продукты питания от ультрафиолетового излучения. Поверхность столовой ложки такого порошка примерно равна поверхности футбольного поля. Магнитизированные наночастицы целенаправленно разрушают раковые опухоли.

Нанопродукты – огромный технологический рынок будущего. Они найдут применение буквально во всех отраслях хозяйства: оконные стекла, которые нельзя разрисовать краской; стекла очков, что не поцарапать; противопожарные стекла, способные превратиться при сильном нагревании в изоляционный материал, что выдержит даже залп огнемета; самоочищающиеся покрытия, к которым не будет приставать грязь и вода; наноструктуры вместо традиционных транзисторов. И все же, по мнению экспертов, главной областью их применения станет создание новых «думающих» материалов на основе наночастиц.

«Эволюции потребовались миллиарды лет, чтобы от мельчайших структур перейти к сотворению таких макроскопических систем, как человек, – пишет Фриц Приц из Стэнфордс‑кого университета. – Нам потребуются всего десятилетия, чтобы вернуться к мельчайшим объектам».

Кстати, в последнее время все больше интереса вызывает идея использовать фрагменты молекулы ДНК в качестве остова, к которому в строго определенных местах биохимическими методами будут прикрепляться различные наноструктуры.

Несомненно, развитие нанотехнологии благотворно скажется и на развитии фундаментальной физики. Исследование поведения отдельных атомов и взаимодействия их с другими атомами поможет оценить справедливость тех или иных теорий, поверить их практикой. Возможно, это объяснит загадочную природу твердых тел.

«По своей сути нанотехнология является междисциплинарной областью, – отметил в интервью «Известиям» ученый секретарь Совета при президенте РФ по науке и высоким технологиям Михаил Ковальчук. – Многие специалисты считают, что развивать масштабные междисциплинарные исследования сейчас способны только США и Россия». Однако если в США еще в 2000 году была принята государственная программа по развитию нанотехнологии, то в России подобной программы нет.