НАНО, ФЕДЯ, НАНО!

№30 (714) от 25 июля 2007 г. Web zavtra.ru Выпускается с 1993 года.
Редактор — А. Проханов.
Обновляется по средам.
Денис Тукмаков
НАНО, ФЕДЯ, НАНО!

«Нанотехнологии» — это словечко давно уже стало хитом сезона наряду с «полонием», «Третьим сроком», «Мюнхенской речью» и «Олимпиадой в Сочи».
Его склоняют все кому ни лень. Стоило президенту Путину пообещать в апреле этого года 130 миллиардов рублей на развитие госкорпорации по нанотехнологиям — и приставка «нано-» превратилась в перспективное средство доступа к бюджетному финансированию. Разнообразные «наноцентры» и «национальные ассоциации наноиндустрии» растут в России как на дрожжах (измеряются ли дрожжи в нанометрах?), а в рекламе товаров, будь то ноутбуки, бетон особой марки или чудо-пылесборники, заветные четыре буквы давно пишутся крупно и выделяются жирным. В мире эти процессы идут с еще большим размахом.
При этом мало кто удосуживается объяснить людям, что же это такое —нанотехнологии, и чем они отличаются, скажем, от микроэлектроники или прикладных исследований в области микробиологии. Как результат — глобальная профанация термина и тотальное в него неверие.
Какое отношение в народе к затее правительства развивать это «прорывное направление в науке»? Правильно, недавно господин Геращенко на этот счет очень хорошо выматерился. В то, что «чиновники все сопрут», верит почти каждый. Помимо этого, многие убеждены, что никаких нанотехнологий не существует в принципе, что это — один из нескольких, наряду с «Холокостом», «СПИДом» и «глобальным потеплением», сочных мифов, на которых кормятся целые ватаги пронырливых хапуг. Третьи верят, что «нанотех» для России — это аналог программы «Звездных войн», в ловушку которой Запад завлек Советский Союз.
Попробуем выяснить, что же это за зверь такой — нанотехнологии — что в нем особенного, какая от него польза и к чему в итоге он нас приведет.
Единственное «но»: как бы нам, дилетантам, ни хотелось разобраться в вопросе, мы с самого начала должны понимать, что «истины в последней инстанции» тут не существует. Нет возможности точно ответить на сакраментальный вопрос «А не врут ли ученые?», поскольку инструменты для истолкования их работы находятся в руках самих ученых. Несмотря на заявленные ими успехи, нанотехнологии до сих пор в основном остаются вопросом веры и... доверия к конкретному специалисту-комментатору, вне зависимости от того, превозносит ли он новые достижения или яростно отметает как блеф и мистификацию.
ВНИЗ, К АТОМУ!
В основе современной естественнонаучной картины мира лежит физическая модель, в которой вещество, как особая форма материи, состоит из элементов: атомов, молекул, элементарных частиц и др. Размеры этих элементов различаются в миллионы раз, но в целом при их описании приходится пользоваться величинами не выше нанометра (это в миллион раз меньше миллиметра). К примеру, радиус атома золота равен 0,146 нм, а один оборот спирали ДНК занимает 3,4 нм.
Со времен составления Менделеевым Периодической таблицы и создания Максом Планком квантовой теории ученые совершили гигантский путь «по направлению к атому». Одной из вех на этом пути стало создание в 1981 году т. н. «сканирующего туннельного микроскопа», который впоследствии позволил не только получать трехмерную картину объекта на атомном уровне без разрушений и почти без искажений, но и совершать манипуляции с атомами, перемещать и комбинировать их. В любом популярном тексте про нанотехнологии описан опыт 1989 года, когда ученые из IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер смогли с помощью такого микроскопа выложить логотип корпорации из 35 атомов ксенона на кристалле никеля.
Интерес к столь малым величинам давно вышел за рамки теоретической области наук: достаточно сказать, что производство компьютерных процессоров компанией Intel уже выполняется по технологическому процессу 45 нм (чип Penryn), и это число уменьшается в два раза примерно каждые два года.
Однако сама по себе миниатюризация техпроцесса еще не делает технологию — нанотехнологией. Традиционные производственные методы постепенно подходят к своему пределу, дальше которого затраты на «эволюционную» миниатюризацию превосходят разумную прибыль. Мы имеем дело с классической «производственной вилкой», когда стандартные научные методики и привычные инженерные методы работы с материалами практически не применимы на атомном уровне, в то время как научный прогресс и производственные запросы требуют не останавливаться на достигнутом и «спускаться все ближе к атому».
Именно здесь и возникает термин «нанотехнология». Как правило, под этим понимается особая научно-техническая дисциплина, изучающая принципиально иные способы взаимодействия с материей на атомном уровне, нежели те, что используются в макромире. Гипотетический переход от технологии к нанотехнологии изображается адептами последней как новая научно-промышленная революция, которая не оставит камня на камне от старых способов работы с материей.
«ТВОРЮ ВСЁ НОВОЕ…»
Новым здесь становится буквально все.
Прежде всего, само вещество. Нанометр — это условный рубеж, за которым вещество может проявлять совершенно иные свойства, не характерные для него на макроуровне, — оптические, адсорбционные, электропроводные и т. д. Более того, многие синтезируемые наноматериалы обладают качествами, отличными от качеств их традиционных химических микроаналогов. При этом в веществе могут развиться, казалось бы, противоположные свойства, например твердость и пластичность.
Классическим примером «преображения» свойств обычного химического элемента являются открытые в 1991 году углеродные нанотрубки — полые графитовые цилиндры диаметром не более нескольких нанометров (в несколько тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной аж до нескольких сантиметров (в случаях, когда они «выращены» в лабораториях), с толщиной стенки в один атом углерода.
Сложно назвать область прикладной науки, в которой сегодня отрицалось бы блестящее будущее использования нанотрубок — при условии, конечно, что их удастся «покорить». Благодаря уникальной прочности, в разы превосходящей свойства кевлара, нанотрубки «застолбили» себе место в материаловедении, где из них обещают «ткать» крепчайшие нити. Особые электропроводные свойства нанотрубок уже привели к тому, что их называют будущим микроэлектроники: на их базе уже создаются транзисторы и интегральные микросхемы. Их собираются широко применять в медицине: от стимуляции активности нервных тканей до доставки лекарств в раковые клетки. Согласно экспериментам ученых, нанотрубки сгодятся как светодиоды и топливные элементы, как нанопипетки и датчики для обнаружения молекул, как флэш-память и имплантаты и т. п. Все это либо уже действует в качестве лабораторных образцов, либо близко к появлению на свет. Способен ли на такое обычный уголь, которым топят печи?
Те физические силы, которыми обычно пренебрегают при макротехнологическом процессе, в «наномире» приобретают решающее значение, и наоборот — так, в «наномире» силы гравитации уступают «пальму первенства» силам межмолекулярного взаимодействия и квантовым эффектам. Это требует создания кардинально новых методов инженерии, особой рабочей среды, невиданной до этого организации производства-«наносборки».
Углеродные нанотрубки, как и десятки прочих наноструктур, синтезируются различными трудноописуемыми методами и, конечно, производятся вовсе не в промышленных масштабах. В этом — еще одно отличие от «макроинженерии», привыкшей оперировать тоннами продукции и кубометрами сырья. Даже в самом оптимистичном будущем нанопроизводство не потребует ни гигантских помещений, ни киловатт-часов электроэнергии, ни тысяч рабочих рук. Вес конечной продукции будет считаться в лучшем случае на килограммы — при этом ценность ее будет уже даже не на «вес золота».
Однако фундаментальное отличие нанотехнологий от «обычного» технологического процесса заключается в самом принципе производства наноизделий — и принцип этот на сегодняшний день, увы, живет лишь на страницах теоретических выкладок ученых и смелых капризов фантастов. Речь идет о «нанофабрике».
ФАБРИКА КОШМАРОВ
Те двое чудаков из IBM потратили на написание атомами «вручную» слова из трех букв 22 часа. Слишком много, слишком нудно. А что, если построить «нанофабрику», на которой та или иная вещь собиралась бы поатомно с помощью ассемблеров-репликаторов за «наноконвейером»? Какие тут могут быть принципиальные противопоказания, коль скоро мы уже умеем получать точное трехмерное атомное изображение объекта, перемещать атомы с помощью манипуляторов, добывать «атомное сырье» и создавать компьютерные алгоритмы действий? Это лишь вопрос времени! Более того, что мешает «нанофабрике» реплицировать саму себя, то есть создавать свою собственную копию? Легко подсчитать, что при скорости репликации 1 фабрика в день первый миллиард таких фабрик будет создан уже на 31-й день. Еще через три дня на каждого жителя Земли будет приходиться по одной такой фабрике, которая сможет производить ВСЁ.
Это очень приблизительный пересказ рассуждений ученых, полагающих, что главнейшим принципом нанотехнологий должен в итоге стать принцип самоорганизации материи, свойственный живому миру на примере структурирования белков или деления клеток. Именно «управляемый механосинтез», при котором сборкой занимался бы не человек, а наноманипулятор под управлением компьютера, становится сегодня главной проблемой нанотехнологии.
Разумеется, не стоит представлять «нанофабрику» в виде «свечного заводика» в миниатюре. Ею может стать, скажем, «колония» ДНК. Так, ученые из университета Нью-Йорка недавно создали т. н. «руку робота» на основе молекулы ДНК и прикрепили ее к кристаллической ДНК-матрице. Эта «рука» может «переключаться» между двумя структурными состояниями, то есть может «работать». А главное, это устройство может быть тиражировано методами генной инженерии, что в итоге приведет к созданию сложной наномашины со множеством «рук-манипуляторов».
Еще в 1959 году отец-основатель нанотехнологии Ричард Фейнман заявил о нечто подобном в своей программной речи «Там внизу полно места» — и до сих возможность создания такой «нанофабрики», в которой нанороботы-репликаторы с атомарной точностью собирали бы хоть нанотрубку, хоть автомобиль, хоть космическую станцию на другой планете, а хоть и тело человека, никем, кажется, не опровергнута. С тех пор было придумано множество проектов «нанофабрик», самым знаменитым из которых является, пожалуй, проект Криса Феникса, в случае реального появления которого все производство на Земле свелось бы к разработке «чертежей» самого продукта — любого на выбор.
Однако, даже на нынешнем, гипотетическом уровне подобные проекты нещадно критикуются самими же учеными. Специалисты по супрамолекулярной химии пеняют на их излишний механицизм, технологи сетуют на непременную дороговизну «нанофабрик» в сравнении с обычным конвейером, устроенном в стране Третьего мира, логистики рвут на голове волосы от перспектив подвоза и хранения нескольких сотен сортов «наносырья» и т. д.
Есть и те, кто проклинает саму идею отдать производственные мощности на Земле в руки нанороботов из опасения… конца света. Дело в том, что одним из самых знаменитых умозрительных «выкрутасов» в области нанотехнологий является апокалиптический сценарий победы «серой слизи» (gray goo), впервые описанный в 1986 году в книге Эрика Дрекслера «Машины созидания».
Согласно сценарию, в случае успешного развития «нанофабрик» рано или поздно возникнет такая ситуация, когда саморазмножающиеся «наноассемблеры», случайно или в результате чьей-то злой воли, выйдут из-под контроля человека и, множась в геометрической прогрессии, за кратчайший срок поглотят биосферу Земли, превратив все вокруг в «серую слизь». В худших вариантах сценария эта слизь вырывается за пределы Земли и в итоге «перерабатывает в саму себя» всю материю во Вселенной. В более оптимистичных версиях говорится о том лишь, что эти саморазмножающиеся репликаторы выиграют межвидовую конкуренцию у целого ряда земных организмов и, например, заполнят биосферу несъедобной листвой, вытеснив с Земли всю флору.
Согласитесь, эта штука будет пострашнее пресловутого «восстания машин», главного ужастика 80-х. Впрочем, и сценарий «серой слизи» давно раскритикован учеными как несостоятельный.
Говоря о «нанороботах», нельзя обойти еще одно теоретическое направление революционной отрасли наук — наномедицину. Ее цель очень грубо может быть представлена как создание особых наномеханизмов, которые, попадая в тело человека (главным образом, в его кровеносную систему), могли бы помогать организму бороться с вредными образованиями, лечить пораженные места, «точечно» доставлять лекарство до места и т. д.
Конечно, не стоит представлять подобные механизмы в виде этаких человекообразных киборгов, которые разъезжали бы по человеческим сосудам и стреляли по раковым опухолям из «нанобластеров». Все гораздо скромнее, и пока опытные образцы «наномедиков» скорее напоминают сложную молекулу, имеющую особые «пазы», в которые могут точно уместиться лишь молекулы требуемой формы — например, типичные для поверхности раковых клеток. «Наномедики» светятся в определенном спектре и указывают на точное нахождение раковых клеток.
И тем не менее, ничто не мешает энтузиастам наномедицины пребывать в убеждении: в будущем именно нанороботы, поселившиеся в наших сосудах, а, возможно, и вообще заменившие нашу кровь, подарят человеку бессмертие.
СЫГРАЕТ ЛИ РАК В НАНОФУТБОЛ?
Удачные эксперименты в области наноробототехники выглядят как завлекаловки для общественности и СМИ не хуже подкованной блохи. Уже создан транзистор из одной молекулы, построен двигатель внутреннего сгорания из двух молекул, уже существует нано-автомобиль размером 4 нм с лопастным двигателем, собранный из 300 атомов золота. Нано-футболисты проводят чемпионат мира по нанофутболу, а ученый Людвиг Бартелс из Калифорнийского университета в Риверсайде заставил молекулу антрахинона бегать по меди и таскать «тяжести» в виде молекул диоксида углерода.
Резонно спросить: «Ну и какой в этом толк? Кроме того, что впечатлительные чиновники или растроганные благотворители, возможно, выделят хитрым ученым дополнительное бабло?» Уверен, не самые последние специалисты легко бы нам возразили, приведя десятки перспективных направлений применения того же опыта с бегающей молекулой или экспериментов с репликацией ДНК.
И все-таки, стоит ли ждать в ближайшее время серийных результатов накрывшей мир истерии под названием «нанотехнологии»? И если да, то в каких сферах?
Ученые и прогнозисты называют несколько перспективных сфер (притом, что само понятие «сфера прикладной науки» будет стираться, поскольку нанотехнологии предполагают очередное, со времен Нового времени, смешение и универсализацию научных дисциплин, резкое развитие смежных направлений и постепенное превращение узких ученых-специалистов в широких «естествоиспытателей»).
Это широчайшая область наносенсорных систем, химических и микробиологических детекторов, которые позволят решать целый ряд задач — от контроля за уровнем радиации и медицинской диагностики до фильтрации воды и обнаружения наркотиков.
Это энергетика, где нанотехнологии смогут быть серийно применены для создания качественно новых, более эффективных, гибких и легких видов солнечных элементов и батарей.
Это микроэлектроника, в которой можно будет использовать свойства синтезируемых наночастиц как полупроводников, светодиодов и элементов памяти.
Это материаловедение, в котором определенные нанодобавки могли бы изменять свойства макропродукта — высокопрочного бетона, особых сортов тканей, уникальных моторных масел и бензина.
Это фармацевтика, где исследования медикаментов через сочетание различных компонентов в препарате постепенно сменятся целевой инженерией конкретных молекул в организме человека.
По оценкам ассоциации National Science Foundation (США), объем рынка товаров и услуг с использованием нанотехнологий вырастет до одного триллиона долларов в ближайшие 10-15 лет.
ШАНС НА СПАСЕНИЕ
Главный же ответ ученых на вопрос «Зачем нам все это?» очевиден: лучшие всходы появляются на щедро удобренной почве. Желание многих государств развивать нанотехнологии влечет за собой не только денежные вливания, но и попутные открытия в других областях знаний, перекройку общественного сознания, возбуждение интереса среди миллионов «дерзких новых умов», открытие новых кафедр, поддержание научных дискуссий, привлечение бизнеса к участию в смелых «нано-» проектах…
Достаточно вспомнить развитие ядерной физики в середине XX века, когда проект, эскиз, смелая теория буквально за пару десятков лет превратились в АЭС, атомные ледоколы и ядерную бомбу, что изменило весь облик мировой экономики и геополитики. Рано или поздно вложенные средства окупятся с лихвой — пусть даже в итоге никакого «супернаноробота с бластером» так и не будет создано.
России в этой статье почти не нашлось места. Нанотехнологический бум в нашей стране, перспективы и проблемы новой научно-промышленной революции, о которой все говорят, — тема для отдельного исследования.
Стоит, однако понимать простую вещь. Если нанотехнологии — не блеф и не пиар, они могут стать настоящим спасением для государства, занимавшегося последние два десятка лет активной деиндустриализацией и развалом техносферы. Отстав на 15—20 лет, практически невозможно эволюционно догонять передовые страны, «тупо» идя по их стопам, без тотальной мобилизации и ГУЛАГа. Революционная же технология, каковой представляется нанотех, может стать шансом сравнительно легко «перепрыгнуть» пропасть отставания и к тому же избежать ошибок чужого опыта.