Слово «нанотехнологии» сегодня на слуху у всех, ведь об этом направлении высоких технологий говорят политики, медики, военные, ученые.
Но — любопытный факт. Что такое «нанотехнологии» и почему этой области науки приписываются поистине фантастические возможности, внятно способны объяснить только 9% наших соотечественников.
Согласно результатам опроса, проведенного фондом «Общественное мнение», 60% россиян вообще услышали слово «нанотехнологии» впервые, а около 33% не знают его или путают его значение…
Сможет ли в обозримом будущем человечество победить такие болезни, как СПИД и рак? Войдут ли в нашу жизнь крошечные компьютеры с огромным объемом памяти? Будут ли созданы личные микрочипы с записью генетического кода каждого человека? Такие вопросы в начале XXI столетия волнуют даже школьников.
Можно с определенной долей уверенности сказать: да, все это возможно. Но исключительно с помощью нанонауки и нанотехнологии. А вот что это за штука, попробуем разобраться.
Рождение «карлика»
Слово «нано» переводится с греческого как «малыш», или «карлик». Оно означает очень маленький размер, если точнее — одну миллиардную чего-либо, или 10—9. А нанометр — 1 миллиардная метра. Такой размер имеют многие атомы и мельчайшие молекулы.
Для сравнения: человеческий волос в 60 000 раз толще одного нанообъекта.
Нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» — уже не количественный, а качественный, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.
О самом существовании наномира люди узнали лишь в 1930-х годах. А нанообъекты впервые обнаружили в 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска — создатели первого электронного микроскопа.
Однако прошло еще почти 30 лет, прежде чем в 1959 году американский физик-теоретик Ричард Фейнман в одной из своих лекций предположил, будто «внизу» (имелся в виду микронаномасштаб) «много места».
Существует, утверждал Фейнман, «поразительно сложный мир малых форм. Когда-нибудь, например, в 2000 году, люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьезно к исследованиям этого мира...»
Именно Фейнман заявил, что атомами возможно манипулировать как предметами, перемещать их отдельно, механически, при помощи манипулятора соответствующих размеров.
То есть необходимо построить механизм, способный создавать свою копию, только на порядок меньшую по сравнению с оригиналом. Созданный меньший механизм должен опять создавать свою уменьшенную копию. И так — до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами атома.
Последний этап — полученный механизм соберет свою копию из отдельных атомов.
Принципиально число таких копий неограниченно. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Таким роботам — нанороботам — нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию. И еще — написать программу для сборки необходимых предметов…
А сам термин «нанотехнология» впервые употребил японец Норио Танигути в 1974 году. Этим термином он назвал производство изделий размером порядка нанометра.
В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: грядет эра нанотехнологии». На основании математических расчетов в ней рассматривалась возможность механического манипулирования молекулами и создание самовоспроизводящихся манипуляторов для этих целей.
Зачем? Ну, например, чтобы многократно удешевить любые существующие продукты и создать принципиально новые, решить экологические проблемы, отремонтировать поврежденные клетки человеческих тканей, что приведет к реальному техническому бессмертию человека…
Впечатляет, не правда ли?
И сотворил человек наномашину
Дрекслеру недолго пришлось дожидаться реализации своих прогнозов.
В 1990 году в лаборатории IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа сумели выложить название компании из атомов — расположить атомы вещества в произвольном порядке.
А год спустя японский ученый, профессор Сумио Иджима из корпорации NEC, открыл углеродные нанотрубки — свернутые в трубочки графитовые слои наноразмеров.
По разным оценкам, прочность нанотрубок в 50—100 раз больше, чем у высококачественной стали. Они не только прочные, но и гибкие: при воздействии напряжений больше критических они не ломаются, а перестраиваются. А еще обладают особыми электрическими, оптическими и магнитными свойствами. В зависимости от своей формы могут быть как проводниками, так и полупроводниками.
Сейчас под термином «нанотехнологии» понимаются очень многие вещи, но главным образом — создание наномашин, или ассемблеров.
Эти машины призваны прежде всего самокопироваться. То есть ассемблер может не только производить некое вещество с заранее определенной молекулярной структурой и свойствами, но и делать «себе подобных». Это самовоспроизводящийся автомат, искусственная жизнь.
Впервые человек будет создавать новую материю, которая природе была неизвестна и недоступна. Фактически наука подошла к моделированию принципов живой материи, которая основана на самоорганизации и саморегуляции. А это можно назвать настоящим переворотом в истории человечества.
Все еще не очень понятно? Ну, хорошо.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеется в виду непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего. А заниматься такой ювелирной работой должны наномашины, то есть механизмы и роботы размером с молекулу.
Вершиной использования нанотехнологий должен стать синтез живого и неживого.
Например, в человеке будут присутствовать нанороботы — врачи, способные жить внутри организма, в кровеносной системе, устраняя повреждения и предотвращая возникновение болезней. Их размер будет сопоставим с кровяными тельцами — лейкоцитами и эритроцитами.
Можно будет реконструировать тело человека, снабдив его набором имплантатов и наноробототехники, что позволит радикально продлить срок человеческой жизни и защитить людей от 99% (!) существующих заболеваний.
В целом человечество станет здоровее, моложе и сможет жить практически неопределенное количество лет.
Если в теле необходимо что-то изменить, нанороботы перестроят его: вырастят утерянные конечности, изменят форму и прочность тела и переведут метаболизм с кислорода на метан.
Останется только опасность смерти от несчастных случаев.
И еще не удастся поатомно восстанавливать тела умерших. При смерти человека происходит потеря структуры самого главного органа — головного мозга. Даже если периодически записывать поатомную структуру головного мозга пациента, а потом восстанавливать его с последнего «чекпоинта», то это будет не тот человек, который умер.
Вы проглотили хирурга?
Интересно, что еще в 1970 году Георгий Гуревич написал роман «Глотайте хирурга», в котором крошечный робот, внедряясь в кровеносную систему человека, эффективно «ремонтировал» сердце пациента.
«В самом деле, — восклицал главный герой романа, — сколько мы тратим героических усилий, стараясь великанскими нашими руками починить микроскопические прорехи тканей. Сколько мы режем и рвем напрасно только для того, чтобы добраться ножом и пальцами до больных внутренностей!
Ведь для того чтобы исправить порок сердца, вспарывают кожу и мускулы, перекусывают ребра, сердце прорезают насквозь. Нам нужно расширить дверь в комнате, а мы для этого ломаем наружные стены, крушим перегородки, водопровод, телефонную связь.
Насколько удобней было бы посылать хирурга внутрь! Хирурга по сердечным порокам, хирурга по желудочным болезням или по раковым опухолям...
Мой лейб-врач между тем пробирался к выходу из сердца, преодолевая бугорки и бляшки, словно скалы, переплывая застойные заводи карманов, где сонно колыхались попавшие в тупик эритроциты.
Но вот и основное русло. Течение все быстрее, стремительнее. Тетеас кидается в густой поток лепешек. Кричит: «Выскочил! Аорта!» Через секунду: «Дуга аорты!» Мелькает темное жерло. «Это, что ли, сонная артерия?» И мчится куда-то вперед и вперед во тьму.
Так совершалось его путешествие по телу. Бросок! Вынесло куда-то. Осмотрелся. Кидается в русло опять. Вынесло, осмотрелся. И снова вниз головой в кисель с красными лепешками...»
Фантастика? Да, в далеком 1970-м так и было. Но теперь процесс воплощения сказки в быль уже начался.
Например, нескольким слепым от рождения людям вернули зрение с помощью искусственной сетчатки, созданной на молекулярном уровне. Сетчатка улавливает сигналы из внешнего мира и преобразует в импульсы, которые поступают в мозг. Правда, цветного зрения пока добиться не удалось, только черно-белого, но по сравнению с абсолютной слепотой это не суть важно.
Кроме того, достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.
Создаются мембраны с нанопорами для использования в микрокапсулах, фильтрующих жидкости организма от вредных веществ и вирусов.
Американская компания S-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60, на поверхности которых упорядоченно расположены химические группы.
Эти группы подбираются таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. В результате становится возможной борьба с любыми вирусными инфекциями, от гриппа до ВИЧ, с онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, патологиями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности — группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.
Бессмертные и всемогущие
В итоге развитые страны, обладающие нанотехнологиями высокого уровня, уже через 15—20 лет смогут контролировать весь остальной мир.
Состоятельные жители этих стран смогут стать практически бессмертными и всемогущими — и это, если говорить только о медицинском применении данной области науки.
Кроме того, нанотехнологии находят широкое применение в биологии, экологии, освоении космоса, промышленности, сельском хозяйстве, кибернетике. Можно не сомневаться в том, что в обозримом будущем именно они станут определять прогресс и состояние дел во всех областях человеческой деятельности.
Аналитическое агентство Lux Research на июнь 2006 года зафиксировало более 5 000 патентов, связанных с нанотехнологиями. Фактически каждый день сообщается о появлении новых нанопродуктов. Уже можно приобрести наноноски, которые препятствуют появлению бактерий, вызывающих запах пота, самоочищающуюся одежду…
А компьютерные технологии?
Работая в наномасштабах, можно многократно увеличить производительность компьютеров. Наиболее перспективными сегодня являются квантовые и ДНК-компьютеры, «поведение» которых в корне отличается от обычных.
Их основной особенностью является возможность параллельной обработки данных. Уже проведены первые эксперименты по параллельному выполнению миллиарда процессов! Это ключ к решению многих задач в информатике, до сих пор считавшихся неразрешимыми.
И нет ничего удивительного в том, что в 2005 году мировые расходы на нанотехнологии составили 28 миллиардов долларов. А к 2015 году рынок наносистем и материалов, по существующим прогнозам, достигнет более 1 триллиона долларов.
Пылевая атака
Но сферой основного интереса зарубежных ученых являются не медицинские и экологические, а военные нанотехнологии.
Умные самолеты-роботы уменьшатся до размеров 3—10 метров, а летающие устройства размером с муху — робомухи — окажутся незаменимы для получения разведданных. Летящие на высоте метра от земли с невероятной скоростью — например, те же 10 км/сек — такие устройства не могут быть обнаружены ПВО или нейтрализованы вооруженными солдатами.
И это, между прочим, не бред воспаленного воображения фантаста-графомана, а разработки, уже профинансированные в рамках программы развития нанотехнологий.
NASA разрабатывает проект космического лифта, описанного еще Циолковским. В Тихом океане, в районе экватора, устанавливается гигантский трос, по которому на околоземные станции доставляется все необходимое. Построить трос предполагается с помощью нанотрубок. А космические корабли — и вовсе выращивать из атомов по принципу самосборки.
Или вот концепция «умной пыли». Она позаимствована из повести Станислава Лема «Непобедимый» и еще недавно рассматривалась как дело далекого будущего.
Идея такова: создание наноробота. Но одиночный наноробот, как и один муравей, практически ни на что не способен. Однако множество их, собранное в одном месте и организованное, становится подобно миллиардам тропических муравьев, уничтожающих все на своем пути.
Один из возможных способов применения «умной пыли» придуман американскими военными. Это — поражение танков противника: облако нанороботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается.
«Умной пылью» можно управлять так, чтобы облака нанороботов одновременно двигались к разным целям.
Сначала роботы образуют единое облако. Ему сообщают координаты целей. Каждый робот, зная свои координаты и координаты целей, выбирает ближайшую цель и принимает решение, стоит ли к ней двигаться.
Для этого он узнает, сколько его собратьев уже направилось к этой цели. Если их вполне достаточно, он начинает искать другую или остается в резерве. Если нет — принимает решение об атаке, о чем и оповещает соседей.
Так облако быстро распадается на фрагменты — кластеры, которые перемещаются к своим целям...
Знаете, кто построил математическую модель управления «умной пылью»? Исследователи из Таганрогского государственного радиотехнического института под руководством доктора технических наук Игоря Каляева. Они доложили свою работу на Международном симпозиуме по микророботам, микромашинам и микросистемам, который проходил в Москве в апреле 2003 года. Но дальше теоретизирования в России дело не пошло.
Зато британские ученые, ухватившись за идею, уже представили свои разработки и продемонстрировали возможности «умной пыли» не в теории, а на практике. В ней, в объеме несколько кубических сантиметров, умещаются датчики, источники энергии, устройства цифровой связи и сетевые ячейки.
Британцы возлагают большие надежды на «умную пыль» в области исследования иных планет, в частности, Марса.
А директор исследовательского отдела Intel в Калифорнийском университете в Беркли, Ганс Малдер, сообщил, что такие устройства уже существуют и проходят испытания, хотя и остаются слишком дорогостоящими для массового производства.
Один из предвестников нанотехнологической эры, отец водородной бомбы, лауреат Нобелевской премии Теллер сказал: «Тот, кто первым освоит нанотехнологии, тот захватит всю техносферу будущего».
Позади планеты всей
В 2001 году в США появилась программа по нанопроизводству. В 2003-м президент Буш подписал закон о развитии нанотехнологий в XXI веке. В 2004-м на основании этого закона американцы создали стратегический план развития нанотехнологий на ближайшие 5—10 лет. А в 2005-м руководитель этой программы уже докладывал лично президенту о том, как идет ее реализация.
Между прочим, даже Южная Африка имеет государственную программу развития нанотехнологий, не говоря уж о Европе и «азиатских тиграх». И только в России до последнего времени эту область науки развивали энтузиасты с бюджетными зарплатами. Или сотрудники негосударственных НИИ.
Только в нынешнем, 2007 году в Санкт-Петербургском государственном университете появились наконец факультеты, призванные целенаправленно готовить специалистов-нанотехнологов.
А вот что говорит генеральный директор концерна «Наноиндустрия» Михаил Ананян: «Мы люди скромные. Мы за 10 лет существования нашего института от государства ни копейки не получили. Работаем сами, зарабатываем деньги сами.
Например, производим так называемые наноразмерные порошки, которые добавляются в узлы трения практически всех основных видов оборудования. А трение есть везде. Это насосы, компрессоры, двигатели.
Если мы в легковой автомобиль добавляем суспензию с нашими порошками, то получаем увеличение компрессии двигателя, снижение вибрации, выравнивание работы цилиндров, экономию топлива на 10—15%, до 50% сокращаются вредные выбросы…»
Это все замечательно, однако вплоть до осени нынешнего года руководители нашего государства тоже скромничали, делая вид, что проблемы развития нанотехнологий для России не существует. В итоге возникла парадоксальная ситуация.
В части фундаментальных исследований нанотехнологий российские ученые, несмотря ни на что, занимают одно из ведущих мест в мире и идут голова к голове с американцами. В тяжелейших условиях держали и держат высокую планку.
Однако когда речь заходит о переходе от лаборатории к производству, потребительскому рынку, мы можем констатировать полный провал данной технологической отрасли.
Россия стратегически отстает не только от США, Европы, Японии, но даже от Индии и Китая — на уровне создания продукции.
Кстати, примерно так же дело обстоит и в других отраслях. Например, наш Жорес Алферов получил Нобелевскую премию за открытия в области коммуникационных, в том числе мобильных систем. А ни одной отечественной модели сотового телефона до сих пор не существует в природе!
Не находя возможности реализоваться и увидеть конечные результаты своих трудов в России, очень многие наши специалисты предпочитают работать за рубежом.
И вот, казалось бы, свершилось. 7 сентября 2007 года российское правительство утвердило концепцию Федеральной целевой программы по развитию инфраструктуры нанотехнологий на 2007—2010 годы. Владимир Путин заявил на совещании по развитию нанонауки в Курчатовском институте: «Это то направление деятельности, на которое государство не будет жалеть никаких средств».
Запланировано выделить 28 миллиардов рублей на закупку оборудования для лабораторий, занимающихся исследованиями в этой области.
На создание государственной Российской корпорации нанотехнологий (ГК «Роснанотех») обещано выделить 135 миллиардов рублей. Из них 30 миллиардов — до конца 2007 года.
Эту корпорацию нельзя обанкротить. Она имеет право заниматься любыми видами предпринимательской деятельности. Ее прибыль нельзя изъять или перераспределить. Руководитель «Роснанотеха» будет обладать колоссальным влиянием, определенным его особым положением и гигантскими государственными инвестициями.
«Нанотехнология, — заявил Путин, — будет ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного как наступательного, так и оборонительного вооружения, а также средств связи».
Ну что ж. Лучше поздно, чем никогда.
Правда, исходя из того, что стратегические задачи являются первоочередными и именно на них правительство не жалеет никаких средств, а всем прочим областям внимание уделяется по остаточному принципу, ожидать широкого внедрения нанотехнологий в медицину нам с вами пока не приходится.
Так что, сограждане, не расслабляйтесь, продолжайте активно лечиться старым добрым аспирином. Выращивать недостающие органы, бороться с раковыми клетками и чинить сосуды нанороботы в России будут… когда-нибудь потом.
О продлении жизни человека и, главное, улучшении ее качества наше самое высокое руководство заботится весьма своеобразно, взамен настоятельно рекомендуя активнее плодиться и размножаться. Репродуцироваться старым добрым испытанным способом, без всяких новомодных изысков.
Быть самим себе ассемблерами — не высокотехнологично, зато надежно.
Анна Варенберг
© «Секретные материалы 20 века» №24(228)