Google+
БЕСТИАРИЙ. МАЛЕНЬКИЕ ЗЕЛЁНЫЕ ЧЕЛОВЕЧКИ HALLOWEEN Звездные войны: Технологии «Star Wars» ГЕНРИ ЛАЙОН ОЛДИ. ФАНТАСТИЧЕСКОЕ ДОПУЩЕНИЕ
Версия для печатиГаджеты: Третья научно-техническая революция
Кратко о статье: Джинн из бутылки, одним мановением руки строящий замки и выполняющий любую прихоть своего создателя, — это сказка? Нет — нанотехнология. Об этой вполне реальной, но в то же время более чем фантастической науке — наша сегодняшняя статья.

Лилипуты в табакерке

Третья научно-техническая революция

Сможем ли мы победить все болезни и придумать эликсир бессмертия? Научиться дышать под водой и овладеть телепатией? Конечно! Ведь все в наших руках. Наноруках.

Нанотехнология — бурно развивающаяся отрасль. Сообщения о новых открытиях в этой области появляются каждый день. Когда же начнется полномасштабное применение нанотехнологий, обыватели будут лишь растерянно качать головами — оказывается, фантастика уже стала реальностью.

С научной точки зрения, нанотехнология предлагает с помощью физических, химических и биологических подходов получить непосредственный контроль над каждой молекулой и атомом. Ученые смогут собирать невидимые глазу механизмы подобно тому, как ребенок собирает конструктор.

Что было раньше

Наивно полагать, что технология будущего возникла в конце 20 века без каких-либо предпосылок. Открытие новой эры приближали тысячи трактатов философов, исследования химиков и физиков. Первый вклад внесли 2400 лет назад греки Демокрит и Эпикур. Античные мыслители придумали название для самых малых частиц — атом, в переводе с греческого — «неделимый».

Ирландский химик Роберт Бойл в 1661 году написал статью, в которой разнес в пух и прах утверждение Аристотеля о том, что основа всего сущего — первоэлементы вода, земля, огонь и воздух. Бойл считал, что фундамент всего материального мира — сверхмалые частицы корпускулы (те же атомы).

Следующей значимой вехой стал 1905 год, когда Альберт Эйнштейн теоретически определил размер молекулы сахара — один нанометр (нм). К середине 20-х годов прошлого века стало ясно, что электромагнитное излучение, к примеру свет, обладает дуальными свойствами и ведет себя не только как волна, но и как поток частиц.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 году высказал гипотезу, что отрицательно заряженная элементарная частица электрон может обладать волновыми свойствами. Основываясь на этом утверждении, в 1931 немецкие ученые Эрнст Руск и Макс Кнолл изобрели электронный микроскоп. Прибор уступал тогдашним оптическим микроскопам, но положил начало поколению устройств, которые открыли окно в наномир.

Возможности оптического микроскопа ограничены: длина волны излучения определяет, насколько мелкие объекты получится разглядеть. Длина волны света составляет 400-700 нм, чего недостаточно для обнаружения атома диаметром 0,1 нм. Разрешающая способность современных электронных микроскопов больше оптических в 100 раз.

В 1932 удача улыбнулась профессору Фрицу Цернике. Ученый на основе оптического микроскопа создал фазово-контрастный микроскоп, который позволил исследовать прозрачные структуры, к примеру живые клетки.

Цернике долгое время предлагал изобретение компаниям, но никто не счел его перспективным. Сегодня же фазово-контрастные микроскопы широко используются биологами и медиками. Заслуги ученого были оценены в 1953 году Нобелевской премией.

В 1933 году Руск доработал электронный микроскоп и сделал его в 10 раз мощнее оптического. После защиты диссертации он поступил на работу в Siemens. Первый электронный микроскоп с логотипом компании, способный различать 10-нм частицы, появился в 1939 году.

Модель ДНК. Обратите внимание: синие основания связываются только с зелеными, а желтые — с красными.

А начиналось очень просто...

В 1959 году известный ученый Ричард Фейнман, один из создателей американской атомной бомбы, выступил на рождественском обеде Американского общества физиков с речью There’s Plenty of Room at the Bottom («Там, внизу, еще много места»). Выступление было посвящено нанотехнологии. Ученый рассказал о возможностях, которые открывает новая наука, а также описал перспективы отдаленного будущего.

Чтобы стимулировать интерес к новому направлению, Фейнман обещал выплатить по тысяче долларов тем, кто соберет электрический моторчик в кубе 1/64 дюйма и уместит книжную страницу на игольном ушке. Первый приз нашел победителя уже в 1960 году — им стал инженер, который собрал мини-двигатель, правда, с помощью традиционных методов. Второй награде пришлось подождать. Только в 1985 году студент Стэндфордского университета с помощью электронной литографии набрал текст «Баллады о двух городах» Чарльза Диккенса на листе длиной 1/160 мм.

Размеры меньше, цены больше

СТМ решает задачи наномасштаба, но сам при этом внушительных размеров.

Теоретическая подготовка к старту нанотехнологии началась под руководством Эрика Дрекслера. Он родился в Калифорнии, а научные степени специалиста и магистра получил, как и Фейнман, в Массачусетском технологическом институте, который и по сей день остается кузницей кадров мирового уровня.

Дрекслер одним из первых осознал потенциал молекулярных машин и возможности контроля над синтезом сложных веществ. Первые научные публикации по этой тематике ученый представил в 1981 году, а через пять лет в книге «Механизмы создания» (Engines of Creation) описал термин «нанотехнология» и физические принципы систем молекулярного производства, которые смогли бы оперировать отдельными атомами. Дрекслер последовал примеру Фейнмана и в 1986 году основал Институт предсказания (Foresight Institute), который сегодня предлагает четверть миллиона долларов за наноруку для перестановки молекул и 8-битный сумматор в 50-нм кубике.

Второй известной книгой Дрекслера стали «Наносистемы», увидевшие свет в 1992 году. Работа стала фундаментальным трудом нанотехнологии. Профессор просто и доступно объяснил связь наномашин с законами физики, химии и квантовой механики. Он предложил использовать для создания атомных устройств углерод, а в качестве вспомогательных элементов — водород, азот, кислород, фосфор, кремний и германий.

Справедливости ради заметим, что само слово нанотехнология придумал и ввел профессор Токийского научного университета Норио Танигути еще в 1974 году. Публикация физика появилась в японском научном журнале и называлась «Основные концепции нанотехнологии». По мнению Танигути, нанотехнология включает обработку, разделение, объединение и деформацию отдельных атомов и молекул вещества, при этом размер наномеханизма не должен превышать одного микрона или тысячи нанометров.

Собрать-разобрать

Эрик Дрекслер придумал самое любопытное наноустройство — ассемблер. Универсальный нанобот, как джинн из бутылки, сможет лечить людей, возводить сказочной красоты дворцы и выполнять всяческие прихоти.

Ассемблер способен к самопроизводству и предназначен для конструирования любых механизмов (двигателей, машин, роботов) из атомов и молекул. Программу сборщика можно записывать на ленты РНК и ДНК, которые содержатся в клетках.

Перед началом работы ассемблер считывает данные, а затем приступает к укладке атомов. Для выполнения обратной задачи был придуман дизассемблер. Он не только разберет по атомам неизвестное устройство, но и «запомнит» его схему в виде нуклеиновой кислоты.

Работая в связке, наноботы смогут копировать вещества с точностью до атомов, создавать любые структуры. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, создание самих ботов — пока невыполнимая задача.

Одним глазком

Так может выглядеть нанобот для транспорта лекарств в организме.

Разработав наноботы и наноматериалы, неплохо бы научиться за ними приглядывать. Впервые взглянуть на атомы удалось компании IBM. Инженеры Герд Биннинг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), распахнувший двери в наноизмерение. Прибор позволял не только получать трехмерную картинку поверхности, но и взаимодействовать с атомами.

Главная деталь этого микроскопа — эдакий щуп, острие которого имеет всего около десяти нанометров в диаметре. Острия обычных швейных иголок толще в тысячу раз. Разрешающая способность СТМ достигает 1 нм.

Исследовать с помощью СТМ можно лишь токопроводящие материалы. Свойства проводника металлам обеспечивают свободно перемещающиеся электроны или электронный газ. В металлической кристаллической решетке атомы не способны крепко удерживать свои электроны. В результате отрицательные заряды пускаются в беспорядочный пляс, прекратить который можно лишь подачей напряжения.

В его жилах течет особая кровь — джедайская.

Покинуть кристаллическую решетку непоседливым электронам непросто. Для этого необходимо преодолеть потенциальный барьер, условно говоря, перепрыгнуть через стенку. Чтобы вылететь за пределы вещества, электрону необходима энергия. Электрическое поле между зондом и образцом слабее потенциального барьера, и по правилам классической механики преодолеть барьер электрону не удастся, но на элементарном уровне действуют иные законы — явления квантовой природы.

Принцип работы СТМ основывается на туннельном токе между образцом и зондом. Чем меньше дистанция между иглой СТМ и крайним атомом исследуемого материала, тем выше значение туннельного тока. Зонд подвергается колоссальной нагрузке. В подобной ситуации любой проводник расплавится, однако и тут удалось выкрутиться. Зонд и исследуемый материал находятся на таком расстоянии друг от друга, что избыточная энергия рассеивается и не повреждает инструмент.

Ну, и последнее условие. Игла и образец должны находиться в вакууме. В этом случае предотвращается случайный захват молекулы какого-нибудь воздушного газа, что исказило бы результаты.

Управлять зондом приходится с помощью пьезокерамического двигателя. Пьезокерамика обеспечивает жесткий крепеж зонда и не нагревается в процессе работы, благодаря чему физические размеры двигателя не изменяются. Первый пьезокерамический двигатель разработал американец Рассел Янг в 1966 году.

Как только установится требуемый уровень туннельного тока, прибор станет автоматически сохранять значения и кропотливо, атом за атомом, следовать иглой по поверхности образца. Внешне данные предстанут в виде ландшафтной карты. В 1986 году создатели СТМ получили Нобелевскую премию по физике.

А потрогать?

Перспектива собирать наноустройства замаячила в 1986 году. К тому времени группа под руководством Герда Биннинга создала атомно-силовой микроскоп (АСМ), который мог исследовать нетокопроводящие материалы. Принцип действия АСМ прост: острие дотрагивается до атома (!) и прибор осязает вещество. Зонд подсоединен к фольге, которая при контакте прогибается. Степень прогиба позволяет нарисовать картинку поверхности.

Вскоре стало ясно, что АСМ и СТМ можно использовать для взаимодействия с образцами. Первый может царапать образец, а второй — переносить атомы с поверхности иглы на исследуемое вещество. Ценное свойство СТМ было продемонстрировано учеными Дональдом Эйглером и Эрхардом Швецером из IBM в 1989. Физикам удалось выложить из 35 атомов ксенона три буквы — название родной корпорации. Просуществовала историческая надпись недолго: атомы разбежались по поверхности металла.

Фуллерен и нанотрубка состоят из углерода, толщина стенок — один атом. Материал будущего подойдет для создания орбитальных лифтов, чудо-лекарств и сверхбыстрой электроники.

Усеченные икосаэдры

Конечно, изучать и переставлять атомы с помощью приборов — замечательно, но это не самое важное. Главное — были бы материалы, свойства которых стоит исследовать. В 1985 году тройка ученых обнаружила, что кроме алмаза, графита и карбина, углерод существует еще и в виде фуллеренов. Первооткрывателями стали Харольд Крото, Рик Смаллей и Роберт Керл. В лаборатории английского университета Сассекса были получены удивительные образования из 60 атомов углерода, которые геометрически напоминают самый настоящий футбольный мяч.

Однако до 1990 года фуллерены получали в очень маленьких количествах и только в сассекской лаборатории. Этого было недостаточно для полномасштабных исследований. Ситуация изменилась, когда немецкие химики разработали метод синтеза «наномячиков».

В 1991 году, изучая в электронный микроскоп фуллерены, ученый Сумио Иияма из японской корпорации NEC выяснил, что после электрического разряда графит принимает не только шарообразные формы, но и образует нанотрубки, которые содержат полость и имеют стенки толщиной в атом углерода. Углеродные нанотрубки (УНТ) мгновенно отодвинули фуллерены на второй план. Эти уникальные вещества отличаются поразительными свойствами и могут использоваться как в транзисторах микропроцессоров, так и в тросах орбитальных лифтов! Нельзя пройти мимо уже созданных на основе УНТ светоизлучающих элементов для дисплеев с невероятно высоким разрешением. Процесс их создания сложен, но некоторые японские производители уже представили прототипы. Кроме того, УНТ обладают свойствами капилляра и могут использоваться для перевозки ценных веществ.

Перспективы нанотехнологии

К концу девяностых правительства ведущих стран мира начали «гонку нановооружений». США запустили в 2000 году «Национальную нанотехнологическую инициативу». Федеральный бюджет страны стал ежегодно выделять крупные суммы на исследования, в 2004 эта цифра составила 3,7 млрд. долларов.

Такая активность объясняется просто: кто в 21 веке добьется успехов в нанотехнологии, тот и станет мировым лидером как минимум до конца столетия. Сегодня в нанотехнологиях лидируют Япония и Южная Корея. За ними гонятся США, в спину дышат Франция, Германия, Англия и, конечно же, Россия.

В активе изобретателей уже полным-полно молекулярных двигателей и роботов, которые работают от света или броуновского движения, нанотранзисторов и дисплеев, невероятно клейких полимеров, позволяющих ходить по потолку, и устройств хранения информации. Большинство разработок имеют скорее научный интерес, но до их практического применения остаются считанные десятилетия, а может, и годы. А там, глядишь, аппетитный бутерброд будет синтезироваться мысленным приказом прямо из воздуха. Или так: любой человек сможет без скафандра летать в космосе, питаться астероидами и купаться в солнечных протуберанцах.

Природные наноботы

Природа вовсю использует нанотехнологии. Взять хотя бы ферменты — белки, которые лечат человека от вирусов, отвечают за передачу нервных импульсов и переваривают пищу. Каждый из ферментов настроен на выполнение строго определенных функций и оперирует непосредственно молекулами и атомами.

А сперматозоид — самый настоящий робот. Состоит из головки, хвоста и нитей, которые задают скелетную функцию. Перемещается, извиваясь телом, против тока жидкости. Чтобы создать подобную машинку, ученым придется потрудиться.

Комментарии к статье
Для написания комментария к статье необходимо зарегистрироваться и авторизоваться на форуме, после чего - перейти на сайт
Bad 13
№ 1
25.01.2010, 20:03
Хорошо
Ух, ты вот это статья, давно ждал от журнала, нечто подобного! Не знаю, но хоть и кратко (это все-таки ненаучный журнал), но написана она грамотно. Чувствуется, что автор пользовался не одним источником! Да и иллюстрации получились неплохими.
Так вышло, на мой взгляд, очень интересно.
РАССЫЛКА
Новости МФ
Подписаться
Статьи МФ
Подписаться
Новый номер
В ПРОДАЖЕ С
24 ноября 2015
ноябрь октябрь
МФ Опрос
[последний опрос] Что вы делаете на этом старом сайте?
наши издания

Mobi.ru - экспертный сайт о цифровой технике
www.Mobi.ru

Сайт журнала «Мир фантастики» — крупнейшего периодического издания в России, посвященного фэнтези и фантастике во всех проявлениях.

© 1997-2013 ООО «Игромедиа».
Воспроизведение материалов с данного сайта возможно с разрешения редакции Сайт оптимизирован под разрешение 1024х768.
Поиск Войти Зарегистрироваться