Через 20 лет нанотехнологии переделают Землю

Человечество стоит на пороге очередной технологической революции—нанотехнологии изменят среду обитания человека. Болезни, голод и дефицит энергоресурсов навсегда уйдут в прошлое, а микроскопические роботы, объединенные в единую сеть, сделают из нашей планеты «разумную среду обитания»
Владимир ТИХОМИРОВ
фото: EASTNEWS/SCIENCEPHOTO, www.nanonewsnet.ru

Нано—это приставка, означающая десять в минус девятой степени, или одну миллиардную. То есть один нанометр—это величина, сопоставимая с размерами отдельных молекул.

—Нанотехнологии—это качественный переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами для построения структур с заранее заданными свойствами,—говорит Михаил Ананян, генеральный директор концерна «Наноиндустрия».—Пока нанотехнологии находятся примерно на том же этапе развития, на котором находилась ядерная физика в 1940 году. Тогда никто даже и представить себе не мог ни технологий, ни перспектив расщепления атомного ядра, но все понимали, что они совершенно фантастические, и стремились первыми разглядеть их.

От перспектив использования нанотехнологий захватывает дух даже у поклонника научной фантастики. Так, по прогнозам журнала Scientific America, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Достаточно будет наложить их на рану. Такое устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые нанороботы, способные конструировать из готовых атомов любой предмет. Произойдет революция в сельском хозяйстве: нанороботы будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено—корову. Стабилизируется экологическая обстановка—новые виды промышленности не будут производить отходы, отравляющие планету, а нанороботы смогут уничтожать последствия старых загрязнений.

АТОМ НА ИГЛЕ

От перспектив использования нанотехнологий захватывает дух даже у поклонника научной фантастики

Ну а перспективы более отдаленного будущего описал в 1986 году тогда еще студент Эрик Дрекслер, который в своем футуристическом эссе «Машины создания» и придумал общее название молекулярных технологий. Объединив идеи писателя-фантаста Станислава Лема, Дрекслер нарисовал картину «разумной среды обитания» XXI века: наноботы будут присутствовать в каждом предмете, в каждом человеческом организме, и человечество сольется с окружающим миром в единый разумный компьютер.

Эссе Дрекслера не было очередным образцом фантастической беллетристики, поскольку еще в 1981 году два инженера из швейцарского филиала корпорации IBM—Герд Бинниг и Гейнрих Рорер—не изобрели сканирующий туннелирующий микроскоп.

Микроскоп устроен довольно просто: сверхтонкая игла, на которую подано небольшое напряжение, движется над поверхностью материала на расстоянии около одного нанометра. При этом с острия иглы на поверхность туннелируют (просачиваются) электроны и возникает небольшой ток, величина которого зависит от расстояния между иглой и поверхностью. Таким образом, на поверхности материала можно «различить» единичные атомы.

В ходе экспериментов выяснилось, что туннелирующий микроскоп в отличие от своих предшественников имеет одно принципиально новое свойство. С его помощью можно не только «видеть» отдельные атомы, но и, прикладывая то или иное напряжение, воздействовать на них: попросту говоря, при помощи туннелирующего микроскопа можно «подцепить» атом и поместить его в нужное место. То есть у физиков появилась теоретическая возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно,—любой предмет, любое вещество.

И вот в 1992 году профессор Дрекслер, выступая перед комиссией конгресса США, снова формулирует основные принципы изобретенной им науки. С тех пор за нанотехнологиями тянется шлейф не только авангардной науки, но и специфической идеологии, которая охватила практически всю мировую экономику. Так, по прогнозу US National Nanotechnology Initiative, будущее принадлежит именно нанотехнологиям. Уже к 2015 году развитие операций на молекулярном уровне приведет к созданию до двух миллионов новых рабочих мест. С помощью нанотехнологий будет создано услуг и товаров на $1 трлн.

Сегодня ученые представляют себе три основные задачи новорожденных нанотехнологий. Во-первых, с их помощью будут осуществляться непосредственная манипуляция атомами и сборка из них нового вещества, то есть создание материалов с заданными необычными свойствами. Во-вторых, предполагается организовать производство электронных схем с активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул или атомов. И наконец, ученые прогнозируют создание наномашин—механизмов и роботов размером с молекулу.

ВСЕ ДЕЛО—В ТРУБКЕ

Первая задача нанотехнологий на сегодня считается практически выполненной—еще в 1991-м японский инженер из компании NEC Сумио Иишима открыл углеродные нанотрубки.

—Нанотрубки—это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода,—говорит Мария Томишко из Физико-химического института им. Л.Я. Карпова, единственной в России организации, где производство нанотрубок поставлено на поток.—Главная особенность этих молекул—их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри «оболочки». Таким образом, решетка атомов углерода сохраняет целостность. Нанотрубки обладают удивительной прочностью: на разрыв они в 60 раз крепче, чем сталь. Еще они не плавятся при нагреве до 3500оС и не деформируются при давлении в 6000 атмосфер.

Нанотрубки обладают удивительной прочностью: на разрыв они в 60 раз крепче, чем сталь.

Технология их изготовления уникальна: сначала углеродную смесь прокачивают через реактор, заполненный катализаторами (в их роли могут выступать железо, никель, кобальт и золото), при температуре 1000оС. Потом полученный материал обрабатывают при температуре 100оС в растворе соляной кислоты. Затем его подвергают воздействию горячего (500оС) воздуха для удаления частиц аморфного углерода. В результате и получается универсальный материал технологий будущего. Например, в зависимости от размера и формы нанотрубка может обладать либо проводящими, либо полупроводниковыми свойствами. Если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута—полупроводником. Необычные электрические свойства нанотрубок делают их самым перспективным материалом для вычислительных систем будущего. Обычные транзисторы, построенные из таких нанотрубок, в 500 раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Кроме того, уже созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.

А вот в Миланском политехническом институте разработали новый водородный двигатель для автомобиля. Взрывоопасный водород планируется хранить в углеродных наноструктурах, чьи полости будут заполнены его молекулами.

ЦЕНА ПРОГРЕССА

Правда, на пути триумфального шествия новых технологий пока стоит несколько нерешенных задач. И самая главная—дороговизна производства.

—Мы постоянно работаем над снижением себестоимости производства нанотрубок,—говорит Мария Томишко.—Так, если еще несколько лет назад один грамм нанотрубок стоил $500, то сегодня—$60. По нашим прогнозам, если себестоимость производства снизится вдвое, то объем продаж на рынке плоских экранов для телевизоров и компьютеров тут же вырастет на несколько десятков миллиардов долларов. Кроме того, необходимо увеличить и объемы производства—сегодня мы производим около 20 граммов трубок в час, хотя, уверена, через год мы сможем делать до 10 килограммов в час.

—К сожалению, не востребованы пока нанотрубки и в качестве сверхпрочного материала,—считает руководитель Наноцентра Московского энергетического института Андрей Алексенко.—Для этого нужно создать новую углеродную металлургию, чтобы сращивать короткие—длиной до нескольких микрон—трубки в волокна. Сейчас такой металлургии нет, но она обязательно появится уже через несколько лет.

ЭНЕРГИЯ ДЛЯ НАНОМИРА

Ученые близки и к выполнению второй задачи—созданию молекулярных электронных схем. Так, профессор химии Дэйл Титерс из Университета Талсы в Оклахоме не так давно запатентовал технологию, позволяющую создавать батарейки поперечником в тысячные доли миллиметра. Новая «микробатарейка» работает подобно обычному аккумулятору—заряженные ионы проходят через полимер, служащий электролитом, от положительного электрода к отрицательному. Электроды размещены на противоположных концах отверстий в оболочке из пористого алюминия и представляют собой керамические или графитовые частицы.

«Конечно, вы не сможете током из нанобатарейки питать фонарь,—признает Дэйл Титерс.—Прототип устройства способен давать одну миллионную миллиампера, но изготовление таких микроскопических блоков питания—первый шаг к построению реально работающих наномашин».

ВНУТРИ НАС РОБОТЫ

А вот создание управляемых нанороботов пока отодвигается в отдаленное будущее. Единственное достижение в этой области—созданный в Массачусетском технологическом институте прототип робота-паука размером с монету, который способен производить до 10 000 движений в минуту. Но, конечно, назвать этот механизм нанороботом нельзя—уж больно он велик.

—В ближайшей перспективе возможно создание молекулярных структур, способных самостоятельно перемещаться по тканям человека и определять присутствие и концентрацию биологических веществ,—говорит профессор Юрий Евдокимов из Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН. Именно за такими биоаналитическими системами самые широкие перспективы в лабораториях биохимического анализа, в медицинской клинической диагностике.

Подобная молекулярная машина была опробована в этом году в Мичиганском университете. Наноботы состояли из трех частей: молекулы-носителя, молекулы—распознавателя (с фрагментом ДНК) раковых клеток и молекулы-люминофора. Когда такие конструкции вводили в организм, они собирались на опухолевых клетках и с помощью люминесценции указывали на них. Понятно, что таким же образом можно доставлять в нужное место и лекарства.

Исследователи считают, что скоро наноботы на базе искусственных ДНК-молекул смогут очищать организм человека от микробов или уничтожать зарождающиеся раковые клетки.

Молекула sapiens