Нанотехнологии

Любая деятельность человека, малопонятная большинству, сразу же обрастает мифами. Естественно, это коснулось и нанотехнологий - главного современного научно-технологического проекта. Об этом слышали все, но мало кто представляет себе суть направления.

Большинство считает, что нанотехнологии - манипулирование атомами и сборка из них микрообъектов. Но это-то и есть главный миф. Мифы рождаются из-за отсутствия знаний или нехватке информации, другим вариантом является сознательное насаждение заблуждений с целью привлечения внимания, а значит и инвестиций.

В случае с проектом нанотехнологий мифы даже помогли запустить процесс. Однако заблуждения имеют удивительно свойство - родившись, они продолжают жить своей жизнью.

Реальные же нанотехнологии настолько противоречат мифам, что порождают сумятицу в головах людей, их неприятие и даже отрицание вообще существования данного направления. Поэтому и рассмотрим основные мифы о нанотехнологиях.

Основателем и идеологом нанотехнологий является Ричард Фейнман

Этот миф, пожалуй, самый безобидный. Он возник в 1992 году во время выступления одного из пророков нанотехнологий Эрика Дрекслера перед сенатской комиссией. Чтобы проект был воспринят и продвинут лектор ссылался на высказывания Ричарда Фейнмана, специалиста в области физики элементарных частиц и квантовой теории поля. Дело в том, что ученый являлся Нобелевским лауреатом и был незыблемым авторитетом в глазах политиков. Однако Фейнман скончался в 1988 году и опровергнуть это высказывание никак не мог. Скорее всего, он бы просто рассмеялся бы, так как являлся известным шутником. Прославленная речь ученого, в ходе которой и была произнесена легендарная фраза: "Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты "атом за атомом" вообще была воспринята коллегами как одна большая шутка. Однако мысль о том, что манипуляция атомами возможна, прозвучала. Дальше Дрекслер творчески развил эту мысль, что и легло в основу главных мифов отрасли.

Нанотехнология является безотходной

Казалось бы, создавая объект атом за атомом, не может быть никаких отходов. Однако данное мышление присуще людям, которые смотря за манипулированием атомами лишь на картинках. Там нет никаких дымящихся труб и стоков. Казалось бы, для перетаскивания атома на расстояние в нанометры и энергии практически не требуется. Вопрос же о том, откуда вообще возьмется атом для сборки, является чуть ли не неприличным. Большинство людей слабо себе представляют технологию производства, но ведь атомы не лежат на складе в ожидании своей очереди? Потребляя промышленные товары, мы не акцентируемся на их связи с такой вредной химической промышленностью. Именно она потребляет нефть, газ, руды для своих нужд. А вот для нанотехнологий, по мнению многих, всего этого не требуется - нужны лишь отдельные атомы. Однако это лишь идиллия, сами по себе атомы существуют лишь в вакууме, за исключением инертных газов. В остальных же случаях они вступают во взаимодействие и образуют новые химические соединения - такова природа вещей. К тому же любая технология требует соответствующего инструментария, с помощью которого и будет производиться производства. Силовые и туннельные микроскопы, стерильные лаборатории в целом, поражают воображения, представая объектами из будущего. Однако все это, как и стены, крыша и фундамент будет собрано обычным путем, а не из безотходных атомов. Когда-нибудь человечество, возможно, и создаст безотходное и экологически чистое производство, однако оно будет создано с помощью иной техники и на других принципах.

Существование наномашин

Изначально речь шла о другой технике. Очевидно, что для конструирования на наноуровне необходимо обладать соответствующим манипулятором. Казалось бы, можно пропорционально уменьшать их размеры, организуя миниатюрные заводики, которые сверлили бы и штамповали бы детали. Однако такой подход прямолинеен. На микроуровне он еще работает, что заключается в микроэлектромеханических устройствах, используемых в автомобилях, принтерах, кондиционерах, датчиках и индикаторах. Если разглядывать их под микроскопом, то можно обнаружить привычные валы и шестеренки, поршни, клапаны и зеркала. Однако нанообъекты обладают свойствами, отличными от макро и микрообъектов. Нельзя. К примеру пропорционально уменьшить размер транзисторов с нынешних 45 нм до 10, так как они не смогут работать - электроны начнут туннелировать через слой изолятора. Да и соединительные провода не могут быть толщиной в атом, ток не будет через них проводиться. Такая конструкция либо распадется из-за теплового движения, либо соберется в кучку, нарушив электрический контакт. Аналогично и с механическими свойствами объектов. С уменьшением их размеров растет соотношение площади к объему, увеличивается трение. В результате нанообъекты начинают буквально приклеиваться друг к другу или к другим поверхностям, которые кажутся ровными вследствие малости. Если надо шагать по вертикальной стене, но это может оказаться полезным, а вот если устройству надо скользить или шагать - то верно обратное. Для передвижения потребуется слишком много энергии. Даже наномаятник сразу остановится - для него существенной преградой станет сам воздух. У нанообъектов высокая парусность, даже частица размером в 1 мкм ощущает на себе силу ударов маленьких молекул, что же говорить об элементах в 10 нм, которые и весят меньше в миллион раз и соотношение веса к площади меньше в 100 раз? Однако в СМИ постоянно встречаются описания нанокопий гаек, шестеренок и прочих механических деталей, из которых и предполагается создавать действующие машины. К таким проектам серьезно относиться нельзя. Физики осознают, что для создания наномеханических или электромеханических устройств необходимы иные принципы, отличные от макро- и даже микроаналогов. И поможет в этом - природа, которая за миллиарды лет эволюции создала великое множество молекулярных машин. Нужны десятки лет, чтобы разобраться в том, как они работают, как их можно приспособить под свои нужды и даже улучшить. Наиболее известный пример природного молекулярного мотора - флагеллярный мотор бактерий. Биологические машины также обеспечивают сокращение мышц, транспорт питательных веществ и перенос ионов через клеточные мембраны. При этом такие молекулярные машины обладают высоким КПД - почти 100%. Они очень экономичны, так, на работу электромоторов, обеспечивающих движение клетки, тратится всего около 1% энергии клетки. Поэтому ученые приходят к выводу о том, что наиболее реалистичный путь для создания наноустройств - сотрудничество физиков и биологов.

Существование нанороботов

Допустим, что создан некий эскиз наноустройства. Но как бы его собрать, а лучше в нескольких экземплярах? Следуя логике Фейнмана можно создать крошечные станки и миниатюрные манипуляторы, которые собирали бы готовые изделия. Однако управление ими должен осуществлять человек, должна быть некая оснастка или программа для управления. К тому же за всеми процессами необходимо наблюдать, к примеру с помощью микроскопа. Альтернативная идея была выдвинута Эриком Дрекслером в его фантастической книге "Машины созидания" в 1986 году. Автор, выросший на трудах Азимова, предложил использовать для производства наноустройств механические машины размером в 100-200 нм - нанороботов. При этом речь уже не шла о штамповке или сверлении, роботы должны были собирать устройство сразу из атомов, их назвали сборщиками. Однако и тут подход оставался механическим. Манипуляторы сборщика должны были быть длиной в несколько десятков нанометров, должен быть реализован двигатель для перемещения робота и автономный источник энергии. Вот и выходит, что сам наноробот должен состоять из множества мелких деталей, каждая из которых размером в 100-200 атомов. Важнейшим узлом наноробота был бортовой компьютер, который и определял какую именно молекулу или атом следует захватить и куда ее поставить. Однако линейные размеры такого компьютера не должны были превышать 40-50 нм, тогда как сегодняшняя технология может создать лишь один транзистор такого размера. Тогда Дрекслер адресовал книгу в далекое будущее, на тот момент ученые еще даже не подтвердили возможность манипуляции отдельными атомами. Это случилось позже, когда был создан туннельный микроскоп, управляемый мощным компьютером с миллиардами транзисторов. Однако мечта о нанороботах была настолько заманчивой, что открытие лишь добавило ей убедительности. В проект уверовал не только сам автор, но и журналисты, сенаторы и общественность. И только ученые доходчиво объяснили, что такая идея нереализуема в принципе. Самое просто объяснение заключается в том, что манипулятор, захвативший атом, соединится с ним навсегда, так как произойдет химическое взаимодействие. Можно ли не согласиться в этом с Нобелевским лауреатом по химии Ричардом Смолли. Однако идея и нанороботах продолжает жить до сих пор, усложняясь и обрастая новыми приложениями.

Существование медицинских нанороботов

Этот миф очень популярен в последнее время - по организму человека должны быть шнырять миллионы нанороботов, диагностируя изменения, ремонтируя мельчайшие поломки с помощью наноскальпелей, соскребать бляшки с помощью нанолопаток, докладывая при этом куда-то о проделанной работе. Однако где гарантии того, что сообщение не будет получено не только врачом, но и кем-то посторонним? Налицо разглашение частной информации. Не станут ли тогда роботы шпионами? Тем более и вера в наношпионов сильна. Удивительно, но многое из представленного в этом плане уже создано. Существует инвазивные диагностические системы, которые сообщают об изменениях в организме. Созданы и лекарства, действующие лишь на определенные клетки, есть и системы очистки сосудов от бляшек и наращивания костной ткани. Да и в плане шпионажа есть большие успехи - очистка воспоминаний, "умная" пыль и невидимые системы слежения. Только вот такие системы будущего не имеют ничего общего с нанороботами Дрекслера, за исключением размеров. Такие достижения станут возможными путем совместной работы физиков, химиков и биологов, работающей на ниве синтетической науки, нанотехнологии.

Наличие физического метода синтеза веществ

Когда-то Ричард Фейнман невольно выдал давнюю мечту физиков, заявил, что в деле манипулирования атомами возможен и физический синтез. Мол, химики будут обращаться к физикам с заказами по синтезу намеченной молекулы с определенными свойствами. Однако химикам не интересен синтез молекулы, они работают с веществом, его получением и превращением. Молекула же - это не просто группа атомов, уложенная в определенном порядке, они еще и соединены химическими связями. Ведь жидкость, в которой на два атома водорода приходится один кислорода, не обязательно будет являться водой. Возможно, это всего лишь смесь жидких кислорода и водорода. Допустим, удалось сложить кучку из восьми атомов - двух углерода и шести водорода. Для физика это соединение - С2Н6, а химик укажет еще минимум две возможности соединения атомов. Да и как собрать такую молекулу? Сначала сдвинуть два атома углерода или же добавить к углероду атом водорода? Ученые умеют манипулировать атомами, но пока только тяжелыми и нереакционноспособными. Созданы сложные конструкции из атомов золота, железа, ксенона. А вот как работать с легкими и активными атомами кислорода, водорода, углерода и азота - неясно. Таким образом, сборка белков и нуклеиновых кислот не такое и просто дело, как пытаются представить многие. Есть и еще один нюанс, ограничивающий перспективы физического синтеза. Химики получают вещество, в котором огромное количество молекул. В миллилитре воды их миллиарды миллиардов. Сколько же времени потребуется, чтобы собрать поатомно такой кубик. Сейчас работа на атомно-силовом или туннельном микроскопе сродни искусству, без специального качественного образования не обойтись - ведь все манипуляции требуется производить вручную, оценивая промежуточные результаты. Процесс можно сравнить с укладкой кирпича. Даже если и механизировать такую работу и суметь укладывать по миллиону атомов в секунду, то на воспроизводство кубика воды в 1 см3 потребуется два миллиарда лет! Именно поэтому миллионы заводиков не решат проблемы синтеза, как и миллион нанороботов, снующих внутри человека, не решат его проблемы. Нам просто не хватит жизни, чтобы дождаться результатов их труда. Поэтому Ричард Смолли и призывал публично Дрекслера убрать из его выступлений упоминание о "машинах создания", дабы не вводить общественность в заблуждение. Однако на идее такого получения вещества и материалов не стоит сразу ставить крест. Прежде всего, можно манипулировать не атомами, а существенно более крупными блоками, к примеру, углеродными нанотрубками. В таком случае исчезнет проблема легких и активных атомов, а производительность сразу же возрастет на несколько порядков. Таким образом уже сегодня ученые в лабораториях получают простейшие и единичные экземпляры наноустройств. К тому же можно придумать такие ситуации, когда внесение атома, или просто воздействие извне инициирует процесс самоорганизации или превращений в среде. В результате высокоточное сканирование поверхности и многократное воздействие может помочь создавать протяженные объекты с регулярной наноструктурой. Да и такой способ может создавать уникальные образцы-шаблоны для дальнейшего клонирования. Природа умеет создавать множественные идентичные клоны молекул и организмов. Многие слышали о полимеразной реакции, когда единственный фрагмент ДНК, извлеченный из биологического материала, искусственно размножают химическим путем. Но почему бы тогда не создать аналогичные машины для клонирования других молекул? Известные принципы химии не запрещают делать этого, размножение молекул вполне реально и соответствует законам природы.

Возможность появления "серой слизи"

В своих работах Дрекслер ввел в концепцию два типа устройств. Первые - разборщики, их функции обратно сборщикам. Такие механизмы должны были изучать строение новое объекта, сохраняя в памяти нанокомпьютера его поатомную структуру. Такое устройство являлось бы мечтой химиков - ведь сих пор наука не может увидеть всех атомов, к примеру, в белке. Точное определение структуры молекулы возможно лишь в случае вхождения ее в состав кристалла, вместе с миллионами себе подобных. Тогда то, с помощью дорого метода рентгеноструктурного анализа можно определить положение всех атомов в пространстве. Вторым типом стали создатели, или репликаторы. Основной их задачей должно было стать поточное производство как сборщиков, так и подобных себе репликаторов, то есть, фактически, размножение нанороботов. Дрекслер предположил, что репликаторы должны являться намного более сложными механизмами, чем простые сборщики и состоять из сотен миллионов атомов. Если продолжительность репликации будет измеряться минутами, то, следуя геометрической прогрессии, за сутки будет воссоздано более триллионов новых создателей, которые произведут новых сборщиков. Данный миф гласит, что возможно появление такой ситуации, когда система перейдет лишь в режим безудержного клонирования, а вся деятельность репликаторов будет направлена лишь на увеличение собственной популяции. Это будет выглядеть неким бунтом наномашин. Казалось бы, для собственного строительства нанороботам необходимы лишь атомы, которые можно получать из окружающей среды, поэтому в цепкие манипуляторы разборщиков попадется все вокруг, в результате вся материя на планете, а с ней и мы превратятся в "серую слизь" - скопище нанороботов. Миф о конце света не нов, неудивительно, что он снова появился с появление данной новой технологии. Фантазии о серой слизи связаны напрямую с нанотехнологиями, данный сценарий очень полюбили кинематографисты, лишь укрепляя всеобщее заблуждение. Однако такой ход событий невозможен. Даже если Вы все еще и верите в возможность сборки чего-то существенного из атомов, подумайте вот о чем. Прежде всего, у репликаторов Дрекслера не будет хватать сложности для создания себе подобных. Даже 100 миллионов атомов мало для создания управляющего сборкой компьютера и даже для памяти. Если даже предположить, что 1 атом будет нести в себе 1 бит информации, то общий объем памяти будет равен 12,5 мегабайт, что слишком мало для данной деятельности. К тому же репликаторы не смогут получать необходимое для себя сырье. Ведь их элементный состав заметно отличается от того, что входит в состав окружающей среды, в том числе и биомассы. Чтобы найти, доставить и извлечь необходимые элементы потребуется много времени и энергии, а это и определяет скорость воспроизводства. В макроразмерах такая сборка будет аналогична созданию станка из элементов, которые еще надо найти, добыть и доставить с разных планет Солнечной системы. Поэтому недостаток ресурсов и ставит предел безудержному распространению популяций любых других существ, даже куда более совершенных и приспособленных, чем нанороботы.

Буквально к 2015 году рынок нанотехнологий будет составлять триллионы долларов

Причиной появления такого мифа явился доклад National Science Foundation (NSF) в 2001 году о том, что рынок нанотехнологий к 2015 году будет оценен в триллион долларов. Позже это утверждение еще больше переоценивалось, рекордной оценкой сегодня является цифра в 3 триллиона долларов. Однако такие кричащие цифры больше похожи на заголовки таблоидов, нежели на серьезные маркетинговые исследования. Сегодня специалисты не могут даже четко определить, что же такое нанотехнология. Так, микроэлектроника уже на пути превращения в наноэлектронику, ведь структура электронных схем уже перешагнули барьер в 100 нм. Соответственно и число компаний, производящих "нанопродукты", будет быстро расти. Правда они будут обладать очень знакомыми названиями - Toshiba, GE, Nokia, Bayer, Kraft и т.д. Их продукты можно было отнести к эволюционной нанотехнологии. А вот точно оценить рынок революционной нанотехнологии, которая планирует собирать устройства атом за атомом, оценить тяжело, соответственно не может быть и вразумительных оценочных цифр. К тому ж маркетинговые исследования не оценивают стоимость настоящего нанотехнологичного процесса, продукта или материала. Подсчитывается лишь полная стоимость продуктов, в состав которых и входят нанотехнологии. Это тонкое отличие и приводит к появлению миллиардов долларов в отчетности. Так, оценка Lux Research оценивает чистый рынок наноматериалов к 2010 году в 3.6 миллиарда долларов, а вот весь объем рынка нанотехнологий оценивается в 1,5 триллиона! То есть, по сути, оценивается не рынок нанотехнологий, а рынок продуктов, содержащих наночастицы. Тот же NSF утверждал, что в нанопромышленности будет занято более 200 миллионов человек, эти цифры звучали в докладах и в заявках на грантах. Однако спустя 8-10 лет после доклада оказалось, что нанотехнологической индустрии практически не существует, несмотря на большое количество исследовательских групп в разных областях.