Молекула sapiens

Через 20 лет нанотехнологии переделают Землю

Человечество стоит на пороге очередной технологической революции—нанотехнологии изменят среду обитания человека. Болезни, голод и дефицит энергоресурсов навсегда уйдут в прошлое, а микроскопические роботы, объединенные в единую сеть, сделают из нашей планеты «разумную среду обитания»

Владимир ТИХОМИРОВ
фото: EASTNEWS/SCIENCEPHOTO, www.nanonewsnet.ru

Нано—это приставка, означающая десять в минус девятой степени, или одну миллиардную. То есть один нанометр—это величина, сопоставимая с размерами отдельных молекул.

—Нанотехнологии—это качественный переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами для построения структур с заранее заданными свойствами,—говорит Михаил Ананян, генеральный директор концерна «Наноиндустрия».—Пока нанотехнологии находятся примерно на том же этапе развития, на котором находилась ядерная физика в 1940 году. Тогда никто даже и представить себе не мог ни технологий, ни перспектив расщепления атомного ядра, но все понимали, что они совершенно фантастические, и стремились первыми разглядеть их.

От перспектив использования нанотехнологий захватывает дух даже у поклонника научной фантастики. Так, по прогнозам журнала Scientific America, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Достаточно будет наложить их на рану. Такое устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые нанороботы, способные конструировать из готовых атомов любой предмет. Произойдет революция в сельском хозяйстве: нанороботы будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено—корову. Стабилизируется экологическая обстановка—новые виды промышленности не будут производить отходы, отравляющие планету, а нанороботы смогут уничтожать последствия старых загрязнений.

АТОМ НА ИГЛЕ

От перспектив использования нанотехнологий захватывает дух даже у поклонника научной фантастики

Ну а перспективы более отдаленного будущего описал в 1986 году тогда еще студент Эрик Дрекслер, который в своем футуристическом эссе «Машины создания» и придумал общее название молекулярных технологий. Объединив идеи писателя-фантаста Станислава Лема, Дрекслер нарисовал картину «разумной среды обитания» XXI века: наноботы будут присутствовать в каждом предмете, в каждом человеческом организме, и человечество сольется с окружающим миром в единый разумный компьютер.

Эссе Дрекслера не было очередным образцом фантастической беллетристики, поскольку еще в 1981 году два инженера из швейцарского филиала корпорации IBM—Герд Бинниг и Гейнрих Рорер—не изобрели сканирующий туннелирующий микроскоп.

Микроскоп устроен довольно просто: сверхтонкая игла, на которую подано небольшое напряжение, движется над поверхностью материала на расстоянии около одного нанометра. При этом с острия иглы на поверхность туннелируют (просачиваются) электроны и возникает небольшой ток, величина которого зависит от расстояния между иглой и поверхностью. Таким образом, на поверхности материала можно «различить» единичные атомы.

В ходе экспериментов выяснилось, что туннелирующий микроскоп в отличие от своих предшественников имеет одно принципиально новое свойство. С его помощью можно не только «видеть» отдельные атомы, но и, прикладывая то или иное напряжение, воздействовать на них: попросту говоря, при помощи туннелирующего микроскопа можно «подцепить» атом и поместить его в нужное место. То есть у физиков появилась теоретическая возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно,—любой предмет, любое вещество.

И вот в 1992 году профессор Дрекслер, выступая перед комиссией конгресса США, снова формулирует основные принципы изобретенной им науки. С тех пор за нанотехнологиями тянется шлейф не только авангардной науки, но и специфической идеологии, которая охватила практически всю мировую экономику. Так, по прогнозу US National Nanotechnology Initiative, будущее принадлежит именно нанотехнологиям. Уже к 2015 году развитие операций на молекулярном уровне приведет к созданию до двух миллионов новых рабочих мест. С помощью нанотехнологий будет создано услуг и товаров на $1 трлн.

Сегодня ученые представляют себе три основные задачи новорожденных нанотехнологий. Во-первых, с их помощью будут осуществляться непосредственная манипуляция атомами и сборка из них нового вещества, то есть создание материалов с заданными необычными свойствами. Во-вторых, предполагается организовать производство электронных схем с активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул или атомов. И наконец, ученые прогнозируют создание наномашин—механизмов и роботов размером с молекулу.

ВСЕ ДЕЛО—В ТРУБКЕ

Первая задача нанотехнологий на сегодня считается практически выполненной—еще в 1991-м японский инженер из компании NEC Сумио Иишима открыл углеродные нанотрубки.

—Нанотрубки—это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода,—говорит Мария Томишко из Физико-химического института им. Л.Я. Карпова, единственной в России организации, где производство нанотрубок поставлено на поток.—Главная особенность этих молекул—их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри «оболочки». Таким образом, решетка атомов углерода сохраняет целостность. Нанотрубки обладают удивительной прочностью: на разрыв они в 60 раз крепче, чем сталь. Еще они не плавятся при нагреве до 3500оС и не деформируются при давлении в 6000 атмосфер.

Нанотрубки обладают удивительной прочностью: на разрыв они в 60 раз крепче, чем сталь.
Технология их изготовления уникальна: сначала углеродную смесь прокачивают через реактор, заполненный катализаторами (в их роли могут выступать железо, никель, кобальт и золото), при температуре 1000оС. Потом полученный материал обрабатывают при температуре 100оС в растворе соляной кислоты. Затем его подвергают воздействию горячего (500оС) воздуха для удаления частиц аморфного углерода. В результате и получается универсальный материал технологий будущего. Например, в зависимости от размера и формы нанотрубка может обладать либо проводящими, либо полупроводниковыми свойствами. Если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута—полупроводником. Необычные электрические свойства нанотрубок делают их самым перспективным материалом для вычислительных систем будущего. Обычные транзисторы, построенные из таких нанотрубок, в 500 раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Кроме того, уже созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.

А вот в Миланском политехническом институте разработали новый водородный двигатель для автомобиля. Взрывоопасный водород планируется хранить в углеродных наноструктурах, чьи полости будут заполнены его молекулами.

ЦЕНА ПРОГРЕССА

Правда, на пути триумфального шествия новых технологий пока стоит несколько нерешенных задач. И самая главная—дороговизна производства.

—Мы постоянно работаем над снижением себестоимости производства нанотрубок,—говорит Мария Томишко.—Так, если еще несколько лет назад один грамм нанотрубок стоил $500, то сегодня—$60. По нашим прогнозам, если себестоимость производства снизится вдвое, то объем продаж на рынке плоских экранов для телевизоров и компьютеров тут же вырастет на несколько десятков миллиардов долларов. Кроме того, необходимо увеличить и объемы производства—сегодня мы производим около 20 граммов трубок в час, хотя, уверена, через год мы сможем делать до 10 килограммов в час.

—К сожалению, не востребованы пока нанотрубки и в качестве сверхпрочного материала,—считает руководитель Наноцентра Московского энергетического института Андрей Алексенко.—Для этого нужно создать новую углеродную металлургию, чтобы сращивать короткие—длиной до нескольких микрон—трубки в волокна. Сейчас такой металлургии нет, но она обязательно появится уже через несколько лет.

ЭНЕРГИЯ ДЛЯ НАНОМИРА

Ученые близки и к выполнению второй задачи—созданию молекулярных электронных схем. Так, профессор химии Дэйл Титерс из Университета Талсы в Оклахоме не так давно запатентовал технологию, позволяющую создавать батарейки поперечником в тысячные доли миллиметра. Новая «микробатарейка» работает подобно обычному аккумулятору—заряженные ионы проходят через полимер, служащий электролитом, от положительного электрода к отрицательному. Электроды размещены на противоположных концах отверстий в оболочке из пористого алюминия и представляют собой керамические или графитовые частицы.

«Конечно, вы не сможете током из нанобатарейки питать фонарь,—признает Дэйл Титерс.—Прототип устройства способен давать одну миллионную миллиампера, но изготовление таких микроскопических блоков питания—первый шаг к построению реально работающих наномашин».

ВНУТРИ НАС РОБОТЫ

А вот создание управляемых нанороботов пока отодвигается в отдаленное будущее. Единственное достижение в этой области—созданный в Массачусетском технологическом институте прототип робота-паука размером с монету, который способен производить до 10 000 движений в минуту. Но, конечно, назвать этот механизм нанороботом нельзя—уж больно он велик.

—В ближайшей перспективе возможно создание молекулярных структур, способных самостоятельно перемещаться по тканям человека и определять присутствие и концентрацию биологических веществ,—говорит профессор Юрий Евдокимов из Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН. Именно за такими биоаналитическими системами самые широкие перспективы в лабораториях биохимического анализа, в медицинской клинической диагностике.

Подобная молекулярная машина была опробована в этом году в Мичиганском университете. Наноботы состояли из трех частей: молекулы-носителя, молекулы—распознавателя (с фрагментом ДНК) раковых клеток и молекулы-люминофора. Когда такие конструкции вводили в организм, они собирались на опухолевых клетках и с помощью люминесценции указывали на них. Понятно, что таким же образом можно доставлять в нужное место и лекарства.

Исследователи считают, что скоро наноботы на базе искусственных ДНК-молекул смогут очищать организм человека от микробов или уничтожать зарождающиеся раковые клетки.
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...
Загрузка новости...