Что такое нанотехнологии?
- 16.02.2020
- 1 697
В 1959 г. в одной из своих лекций знаменитый учёный Ричард Фейнман сказал: «Принципы физики... не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атомов». А потом добавил, что человечество вскоре научится манипулировать мельчайшими частицами и будет синтезировать всё, что угодно.
Считается, что термин «нанотехнология» ввёл в обиход американец Эрик Дрекслер. В студенческие годы он зачитывался научной фантастикой, познакомился и с трудами Фейнмана. В 1977 г. Дрекслер задумался: как изменится мир, если всё уменьшить в миллиарды раз. И решил, что в лучшую сторону. Через девять лет, в 1986 г., он выпустил книгу под названием «Машины творения». В ней описывались «умные» устройства размером с молекулу, которые быстро и радикально преобразят мир, избавят человечество от голода и болезней, сделают людей практически бессмертными.
Такие машины - нанороботы - предназначены для самостоятельного манипулирования отдельными атомами. Они могут «собрать» любой предмет или живое существо. Причём наноробогы будут размножаться подобно бактериям или вирусам. Такие устройства называются ассемблерами. Это своего рода маленькие заводы по сборке запрограммированных объектов, в том числе и самих себя.
Что сулит развитие нанотехнологий? Например, превращение одних веществ в другие. Крошечные роботы смогут не только ремонтировать технику, но и трансформировать её в зависимости от потребностей. Новые вещества и материалы будут создаваться практически мгновенно и из подручных средств. Разумные пылинки сумеют сделать суперкомпьютер буквально в считанные секунды и прямое воздухе.
Новые лекарства... не понадобятся! Нанороботы проникнут в тела людей и станут следить за тем, чтобы каждый орган, каждая клетка функционировали нормально, а в случае чего быстро приведут их в порядок.
Задолго до Дрекслера советский фантаст Георгий Гуревич в своих произведениях поражал чудесами нанотехнологии. А советский писатель и основоположник ТРИЗа (Теория Изобретательства) Генрих Альтов в рассказе «Ослик и аксиома» практически вывел принципы нанотехнологии задолго до того, как этот термин получил широкое распространение.
В фильме режиссёра Ричарда Флейшера «фанта стическое путешествие» уменьшают подводную лодку с экипажем и запускают её в кровеносную систему учёного, дабы избави1 ь его от тромба. В наши дни в Германии сконструирован прототип такой «подводной лодки». Толщиной с волос и длиной в несколько миллиметров, она сможет осматривать и проводить «ремонт» нездоровых органов. Учёные всерьёз размышляют, как создать молекулярных роботов-врачей. Эти «врачи», постоянно находясь внутри людей, предотвратят старение клеток, обновляя по мере необходимости ткани человеческого организма.
Что ещё обещают нанороботы? Дубликаторы и синтезаторы - любимые детища фантастов - займут место холодильников! Генетические болезни уйдут в прошлое Можно будет создавать самые невероятные виды живых существ. Усиливать интеллект, изменять человеческое тело для жизни на других планетах.
На чём основывается универсальность, могущество и вездесущность нанороботов? Разве можно манипули ровать атомами? Оказалось, что можно.
Более 70 лет тому назад российский физик Георгий Гамов получил решение уравнения Шрёдингера, которое позволяло частице преодолевать энергетический барьер, даже если её энергия и меньше высоты барьера. Обычно это иллюстрируется так: вы подходите к высокой стене, но не перепрыгиваете её, а как бы проникаете сквозь неё и оказываетесь на противоположной стороне.
Данное явление существует лишь в мире элементарных частиц и называется туннелированием или туннельным эффектом. В середине 50-х гг. японцы сконструировали туннельные диоды, а чуть позже московский физик Юрий Тиходеев рассчитал параметры многослойных туннельных структур. И, наконец, в 1981 г. был создан сканирующий туннельный микроскоп — устройство, позволяющее поштучно воздействовать на атомы проводящего материала.
В год выхода в свет книги «Машины творения» появился атомно-силовой микроскоп. Он давал возможность «брать» атомы любого вещества, а не только проводников, и помещать их в нужное место. То есть осуществить сборку!
Сверхгонкая игла скользила очень близко от поверхности, зазор был не больше диаметра атома. Электриче ский потенциал иглы «выхватывал» атом с поверхности материала, а затем игла переносила его туда, куда желал экспериментатор. Первый такой опыт провели в 1990 г. Сенсационная фотография букв IBM высотой в пять атомов инертного газа обошла весь мир.
В 1994 г. нанометодики внедрили в промышленность. Они используются для контроля над матрицами DVD-дисков, при получении новых материалов, создании сканирующих зондовых микроскопов, новых устройств для манипулирования молекулами... Скоро начнётся производство новых аккумуляторов для ноутбуков, мобильных телефонов и подобных им устройств, они будут служить в десятки раз дольше прежних. Со дня на день возрастёт плотность записи на магнитных и иных носителях. Стремительно уменьшаются размеры микропроцессоров... Но это ещё не нанороботы.
В 1973 г. московские химики Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн доказали теоретическую возможность новой естественной формы углерода. Изображение молекулы выглядело фантастично, а потому учёная обществен ность восприняла их работу лишь как игру ума.
В первой половине 80-х гг. XX в. астрофизики обнаружили в спектрах «красных гигантов» странные полосы. Судя по всему, они представляли собой следы углерода. Однако молекулы его имели незнакомую форму. А в 1985 г. англичанин Гарольд Крото открыл молекулы углерода в виде сферы. Выяснилось, что в спектрах «красных гигантов» наблюдается два сигнала, которые соответствуют большим агрегатам, группам, или кластерам, из атомов углерода.
В одном случае атомов оказалось 60, в другом - 70. Какой же была Форма новых молекул? Предположили, что это многогранники, похожие на футбольные мячи и собранные из пяти- или шестиугольников. Попадись тогда астрофизикам работа московских учёных, они бы очень удивились: картинка совпадала с точностью до молекулы. Так открыли фуллерен.
Его полное научное название - бакминстерфуллерен. Американец Ричард Бакминстер Фуллер, в честь которого названа новая модификация углерода, - философ, учёный, инженер, архитектор и поэт. По его проекту построили павильон США на монреальской выставке ЭКСПО-67. Павильон представлял собой купол из шестигранных ячеек, напоминающий большой футбольный мяч, как позже учёным его напомнила молекула фуллеренэ.
Химическая активность фуллереноа - их способность заключать в своих «оболочках» другие элементы - сейчас используется в технологических процессах, связанных с созданием неизвестных до сих пор материалов. В их числе новые разновидности сверхпроводников, полупроводников, материалов в сотни раз прочнее стали. В перспективе — новые полимеры с невероятными электронными, магнитными и оптическими свойствами, нетрадиционные источники электрического тока, катализаторы, материалы для лазеров...
Выяснилось также, что фуллерены образуют не только замкнутые фигуры, но и трубки-тубулены. Такие молекулы представляют собой полые цилиндры, составленные из шестиугольников и на конце «закрытые» полусферой из пятиугольных фрагментов. Вот эти нанотрубки и являются «кирпичиками» для ассемблеров. Именно они должны стать основой «рук», манипуляторов, с помощью которых будут перемещаться атомы.
Учёные уже научились управлять протеинами (белки) клетки, перемещая их с помощью нанотрубок. Удалось сделать шарикоподшипники, двигатель и карданные механизмы, состоящие из 3,5 тыс. атомов. Из нанотрубок соорудили весы, на которых можно взвесить вирус. Из органической молекулы создан транзистор размером в 1-2 нм, т. е. в миллион раз меньше песчинки, причём использовалась технология «самосборки». Составлена самая маленькая логическая схема на основе двух транзисторов, построенных из отдельной молекулы углерода.
Нанотехника, по-видимому, будет работать следующим образом. Сначала «наноруки», ведомые нанокомпьютером, соберут ассемблер, запрограммированный на сборку других ассемблеров. Предполагается, что на один ассемблер пойдёт около миллиарда атомов.