Восстание наномашин

В последние годы научное сообщество, высокие государственные чиновники и СМИ все чаще упоминают о технологиях связанных с так называемым атомным конструированием. Такие слова как нанонаука, нанотехнология, наноструктурирование уже вышли из под пера фантастов и прочно входят в повседневную жизнь. В развитых странах мира нанотехнологии стали объектом притяжения немалых финансовых средств. Так, в США действует программа “Национальная нанотехнологическая инициатива” (в 2001 г. ее бюджет был 485 млн. долларов.). Евросоюз принял программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой “нано-”.

В этом году в нашей стране начала функционировать государственная «Программы координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации». По оценкам некоторых аналитиков в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции. Наиболее оптимистичные исследователи уверены, что последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже.

Микромир

Хотя приставка «нано» сегодня известна почти каждому однако ее смысл понятен далеко не всем. Термин «нано» происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу наноисследований и нанотехнологий попадают объекты с измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире – от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 10_9 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях.

Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются новые свойства материалов, основанные на дискретной атомно-молекулярной структуре вещества. Свойства объекта имеющего атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей.

В отличии от обычных мини- и микросистем зависящих от разных побочных явлений связанных с характером большого объема материала, наносистемы лишены этого недостатка. Крайне малый размер наносистем не только позволяет избежать такого рода издержек и миниатюризировать сложнейшие устройства, но и значительно снизить энергопотребление. Скажем мобильный телефон или микрокомпьютер построенный с ипользованием нанотехнологий на одном аккумуляторе сможет работать целые месяцы. Но и это еще не все. Минималистичные размеры наноэлементов позволят значительно сократить связи между модулями устройства, ускорить его работу, повысить быстродействие любой системы.

Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в радикальном обновлении.

Наноматериалы

За последние годы разработаны сотни наноструктурированных продуктов разного назначения, реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

Наиболее крупным на сегодняшний день является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки – или ее отсутствием – и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только алмазу. При этом резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала. Целая отрасль нанотехнологий связана с так называемыми фуллеренами, открытыми в 1985 году. В парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Как выяснилось, наиболее устойчивые типы фуллеренов имеют форму футбольного, а второй – регбийного мяча. Такие молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи.

Ученые научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Сегодня легко можно получить проволоку нанометрового диаметра с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных фильтров высокой селективности и газопроницаемости. Также нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения. Американские ученые близки к созданию так на зываемой «наноброни».

Матрица человечества на кончике иглы

Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случаи размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мелчайших единиц материи и энергии – когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~10_12 операций в секунду), плотность записи информации ~10_3 Тбит/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление – на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.

Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие “0” и “1”, и допускать быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле – перейти с одного атома на другой). Это реализовало бы заветную мечту – одноэлектронное устройство. К сожалению, пока лучшие современные электронные средства неэкономно “тратят” сотни, тысячи электронов на одну операцию.

Подобные принципы реализуются ныне в так называемой джозефсоновской электронике. Здесь элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров.

Некоторые исследователи уверены, что на основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов.

Без скальпеля и хлороформа

Большие перспективы у нанотехнологий есть в сфере медицины. Одним из наиболее интересных достижений ученых в этой области оказалась технология восстановления поврежденной нервной такни с помощью уже упомянутых выше углеродных нанотрубок. Как показали эксперименты, после имплантирования в поврежденные участки мозга специальных матриц из нанотрубок в растворе стволовых клеток уже через восемь недель ученые обнаружили восстановление нервной ткани.

Однако при использовании нанотрубок или стволовых клеток порознь аналогичного результата не было. Наноструктуры также могут помочь в восстановительной терапии после острых сердечных заболеваний. Так, наночастицы, введенные в кровеносные сосуды мышей, помогли восстановить сердечно-сосудистую деятельность после инфаркта миокарда. Принцип метода состоит в том, что самособирающиеся полимерные наночастицы помогают запустить естественные механизмы восстановления сосудов.

Отдельная тема наномедицины – новые возможности доставки лекарственных средств в ранее труднодоступные и недоступные места человеческого организма. Среди новейших разработок – доставка тончайших аэрозолей в легкие на основе магнетонаночастиц и специального магнитного поля. В перспективе доставка лекарственных препаратов в очаги заболевания, а также прямо в болезнетворные бактерии и вирусы. На днях компания Nanotherapeutics Inc. заявила о том, что она заключила соглашение CRADA (Cooperative Research and Development Agreement) с институтом National Cancer Institute (NCI) для разработки при помощи нанотехнологий вакцины против ВИЧ.

Сотрудничество с NCI, а также использование особой системы доставки лекарств на основе наночастиц, которая позволяет вводить в организм такие макромолекулы как пептиды, приведёт к созданию лекарства, усиливающего иммунную систему.

Это не первый подобный проект Nanotherapeutics Inc. В 2005 году Nanotherapeutics Inc. уже получала финансирование от института National Institute on Drug Abuse (NIDA) на разработку препарата на основе наночастиц для лечения наркотической зависимости.

Новый класс созданных специальным образом наночастиц, которые находят, показывают и уничтожают опухоль может быть мощным оружием против рака. Данные наночастицы, полученные группой исследователя Джейма Бейкера в лаборатории Университета Мичигана представляют собой наночастицы золота, на поверхности которых находятся разветвленные полимеры – дендримеры. Дендримеры могут нести различные молекулы – находящие раковые опухоли, флуоресцирующие, и, соответственно показывающие их, а также лекарства, способные убивать клетки. Также раковую опухоль можно уничтожить, нагрев частицу золота при помощи лазера или инфракрасного излучения.

В работе, опубликованной в журнале «Small» исследователи продемонстрировали нахождение и визуализацию раковых клеток в лабораторных условиях при помощи частиц золота, покрытых дендримерами. К каждому отростку дендримера были присоединены четыре или пять молекул фолиевой кислоты и флуоресцирующих молекул.

Раковые клетки, имеющие значительно больше рецепторов на фолиевую кислоту, чем здоровые клетки, проглатывали наночастицы покрытые дендримеами. При помощи микроскопии исследователи наблюдали частицы, накопленные в клетках, а конкретно, в лизосомах.

Эти же дендимеры планируется использовать для создания новых обезболивающих препаратов, которые можно использовать в боевых условиях. Известно что традиционное обезболивание при помощи морфия требует квалифицированного персонала и чревато разными осложнениями. В состав нового препарата войдут наночастицы, которые способны переносить молекулы морфия и его антидота препарата Налоксон и контролировать их поступление в организм. Сила лекарственного воздействия будет регулироваться самими наночастицами. За этими разработками должно последовать и главное революционное достижение в этой сфере – создание медицинских нанороботов.

Эти существа размером в микроны смогут проникать в организм и производить необходимые вмешательства вплоть до хирургических операций.

Свет и тени нанотехологий

Большинство современных аналитиков склоняются к тому, что развитие нанотехнолгий приведет к существенному прогрессу всех сторон человеческого социума. В стенах российской Государственной Думы не раз звучало, что российский нанопроект повлечет за собой значительное улучшение качества и увеличение общей продолжительности жизни людей, быстрое внедрение новых технологий в промышленность, перераспределение ресурсов, снижение социальной напряженности, широкое развитие экологически адаптированных систем. Он вызовет качественное изменение экономической, политической жизни мира, и в этом смысле он носит «общецивилизационный характер».

По прогнозам американского учреждения «Institute For Global Future» уже к 2015 году сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах. E-бизнес (электронно-информационный) уступит лидирующие позиции NT-бизнесу (нанотехнологическому). Наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств.

Благодаря этим технологиям потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными и компактными, а вместе с тем и более дешевыми Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях.

Впрочем, рассуждая о перспективах нанотехнологий все же нельзя забывать, что на любом новом пути есть свои преграды и подводные камни. Это направление науки и техники находится еще в самом начале своего пути, а потому к его радужным перспективам следует относиться с известной долей осторожности. Многие открытия и новые технологии, еще вчера имевшие светлое будущее сегодня находятся под вопросам или вовсе отброшены и забыты. Футурологи семидесятых писали, что промышленные термоядерные реакторы начнут строить в середине 90-х. Сколько было шума вокруг так называемого «холодного термоядерного синтеза» сулившего доставить неисчерпаемый источник энергии в каждую квартиру и оказавшегося ошибкой физиков.

Еще пятнадцать лет назад страницы научных журналов пестрили публикациями о «вирутальной реальности», «вирутальном обучении» и даже «вирутальном сексе».

Публицисты от науки вещали, что еще немного и человечество как социум переселиться в глобальную паутину, передоверит свое зрение, осязание, обоняние и память компьютерным устройствам. Сегодня об этом уже почти никто не вспоминает, а последние приборы позволявшие «переселяться» в вирутальную реальность исчезли из широкой продажи более 5 лет назад. Не принесло, пока, ожидаемого медицинского и социального переворота и клонирование. Полученные таким способом животные оказались маложизнеспособными, а клонирование человека оказалось рекламным трюком. Время показало, что исследователи поторопились с выводами. Реалистичные на первый взгляд прогнозы не оправдались. Некоторые научные проекты потребовали основательного пересмотра концепции. В других случаях поставленная цель оказалась слишком сложной, и ее достижение отодвинулось в более отдаленную перспективу. В третьих, достигнутые результаты остались достоянием научно-исследовательских лабораторий и пока не получили практического применения.

Западные СМИ сообщают о прецедентах так называемых «наномошенничеств». Среди них получение крупных финансовых средств под заведомо неосуществимые или мошеннические проекты. Иногда за новейшие наноисследования выдают давно известные открытия и достижения. Маркетинговая приставка нано- заставляет потребителя платить двойную, тройную цену за товар с технологиями двадцатилетней давности. И в среде российский ученых и политиков позиция не столь консолидирована. Резко увеличивающиеся цены на продоволствие привели к тому, что некоторыми высокопоставленными чиновниками правительства РФ были сделаны заявлений о необходимости «пересмотра» финансирования наноиндустрии в пользу разваливающегося сельского хозяйства.

Уже сегодня очевидно, что глобальное внедрение нанотехники в жизнь поставит новые этические проблемы перед человечеством. С помощью невидимых обычным глазом микроустройств можно будет осуществлять тотальный мониторинг частной жизни индивидуума. Смогут ли власти, разные политические и общественные объединения и коммерческие организации избежать искушения безнаказанного вторжения в жизнь потенциального избирателя, коммерческого партнера, конкурента? Насколько безобидны будут нанороботы и какие страшные виды вооружений будут получены в результате исследований ученых.

На эти и многие другие вопросы придется отвечать всем нам.

Глеб Чистяков

http://www.etver.ru/lenta/index.php?…

В мире накоплено уже довольно много сведений и данных по самым разным аспектам развития нанотехнологий. Однако, чаще всего эти публикации носят узкоспециальный и во многом фрагментарный характер. Данный труд – это отличная работа обзорного характера, в которой обобщается практически вся имеющаяся на данный момент информация. Такого рода обзоры необходимо делать регулярно (достаточно часто) и с привлечением самых разных специалистов. Разумеется, и в данной работе имеются определённые пробелы, неточности, неполнота данных и другие недостатки. Но, как основа для последующей работы, она вполне пригодна для многих организаций и (начинающих) исследователей.