В современном научном языке приставка «нано» служит для образования наименования дольных единиц физических величин, равных одной миллиардной исходных единиц. Например, нанометр — это одна миллиардная часть метра, т.е. 1 нанометр (нм) = 0,000 000 001 м.
Учёные и инженеры договорились о точном значении этой приставки в 1960 г., произведя её от слова «нанос» (в переводе с греческого «карлик»), которое употребляется уже тысячи лет. Соответственно под нанотехнологиями понимают технологии, имеющие дело с чем-то карликовым, очень маленьким, составляющим всего лишь миллиардные доли чего-то, скажем миллиардные доли метра.
С размером в 0,001 м, или миллиметром, часто встречаются в повседневной жизни. Размер булавочной головки чуть больше 1 мм. Но по сравнению с нанометром миллиметр огромен, он равен целому миллиону нанометров. Инженеры уже давно привыкли иметь дело с тысячными долями миллиметра — микрометрами (мкм), или микронами: 1 мкм = 0,000 001 м = 1000 нм.
Диаметр человеческого волоса — 1/20 мм, т.е. 50 мкм. Цветочная пыльца состоит из пылинок размером несколько микронов, которые незаметны невооруженным глазом.
При анализе крови человека лаборанты рассматривают образцы под микроскопом и в первую очередь подсчитывают количество красных кровяных клеток, имеющих форму дисков диаметром несколько микронов.
Красные кровяные клетки
А как часто сталкиваются с размерами меньше микрона? Все видели радугу на небе или в брызгах воды фонтана. Цвета в радуге меняются от красного до фиолетового. Физика учит, что они различаются длиной световой волны — от 0,44 мкм (красный) до 0,7 мкм (фиолетовый).
Как же представить себе один нанометр? Надо изготовить миниатюрный металлический стерженёк длиной 1 мкм, поместить под микроскоп и с помощью какого-нибудь хитроумного приспособления разрезать пополам. Одну половинку выкинуть, другую снова разрезать пополам. Возможно ли, хотя бы теоретически, повторить процедуру десять раз подряд? Исходный стерженёк состоит из атомов, и после разрезания его размер никак не станет меньше расстояния между атомами. Для большинства металлов расстояние между атомами составляет 0,1—0,7 нм.
Единица измерения микрон обозначается μm. Из-за того, что вводить греческие буквы при наборе текстов на русском или английском языке неудобно, наиболее употребительно неофициальное обозначение um. Если у греческой буквы μ («мю») стереть нижний хвостик, получится как раз буква латинского алфавита u.
Таким образом, на стерженьке длиной 1 мкм уместится всего несколько тысяч слоёв атомов металла. После первого деления стерженька число слоёв уменьшится примерно вдвое, после второго — примерно вчетверо, после десятого — примерно в 1 тыс. раз, т.е. после десяти делений (если бы удалось их проделать) длина стерженька стала бы около 1 нм и стерженёк состоял бы всего из нескольких (меньше десяти) слоёв металла. Следовательно, нанометр — единица, удобная для измерения объектов, состоящих из небольшого числа атомов.
Теперь вновь вернёмся к слову «нанотехнологии». На самом деле приставка «нано» в этом слове подчёркивает не размеры объектов, а их тип. Нанотехнологии нацелены на индивидуальную работу с отдельными атомами.
Обычные технологии, например обработка детали на токарном станке, варка стекла или изготовление бетонных конструкций, создают предметы, т.е. собирают атомы в нужные скопления, манипулируя огромными плохо управляемыми группами атомов.
Нанотехнологии тесно связаны с информатикой. Во-первых, к необходимости создания нанотехнологий пришли после постановки Р. Фейнманом в своём докладе задачи компактного хранения информации. Во-вторых, нанотехнологии обещают радикально изменить как инструменты обработки информации (компьютеры), так и методы их использования. В-третьих, развитие нанотехнологий невозможно без применения методов информатики.
Первые лабораторные успехи
Ещё философы Древней Греции догадались, что вещество состоит из атомов. Затем это было доказано теоретически и экспериментально, но ни один человек не мог поклясться: «Я видел атом!». Различить отдельный атом с помощью какого-либо оптического прибора в принципе невозможно. Оптические приборы работают со световыми колебаниями.
Их разрешающей способностью является расстояние между двумя объектами, на котором они ещё отличимы друг от друга (расстояние не превышает длины волны световых колебаний). Длина волны видимого света около 500 нм, что в тысячи раз превышает расстояние между атомами. Для «подглядывания» за атомами нужны более частые колебания. С точки зрения современной физики электрон не только частица, но и волна, колебание. Длина этой волны меньше расстояния между атомами, посредством электронных волн в микроскоп с «электронным светом» можно увидеть отдельный атом (отличить его от других атомов). В 80-х гг. создали такой микроскоп, названный сканирующим туннельным микроскопом (СТМ).
Основная идея состоит в том, чтобы в вакууме перемещать над поверхностью твёрдого тела кончик острой иглы, к которой приложено напряжение. Если расстояние между образцом и кончиком иглы достаточно мало, то электроны туннелируют (перескакивают) с острия иглы на образец, образуя ток туннелирования. Водя иглой по образцу и измеряя ток, исследователи получают возможность «нанести на карту» расположение микроскопических (атомных размеров) «холмов» и «долин» на поверхности образца.
В 1986 г. изобретатели СТМ были удостоены Нобелевской премии. Сканирующий туннельный микроскоп, умещающийся (если без вакуумной камеры) на ладони, имеет разрешение по вертикали детали размером в 0,1 A (где А — это сторона куба), или, иначе говоря, одну десятую диаметра атома водорода. Разрешающая способность сканирующего острия шириной всего в несколько атомов допускает разрешение детали горизонтальной плоскости размером не более 2 A (где А — это сторона куба).
Учёным уже удалось изготовить остриё шириной в один атом. Наконечник иглы делается в форме пирамиды, предпоследний и последний слои состоят из трёх и одного атомов соответственно.
СТМ позволяет не только видеть, но и перемещать атомы. Например, в 1980 г. сотрудники фирмы IBM нанесли на никелевую подложку 35 атомов ксенона, выложив из них название своей компании.
Неизбежность разделения труда в нанотехнологиях
Манипулируя отдельными атомами и молекулами, в принципе можно создавать новые устройства разных размеров. От микроскопических, неразличимых для невооружённого глаза, до устройств планетарного масштаба, по величене превосходящих Землю. Даже самые крошечные устройства будут содержать огромное количество атомов. Чтобы выполнить устройство с помощью нанотехнологии, каждый атом придётся переместить на отведённое ему место.
Мысленно проведём эксперимент. Для этого потребуется простейшая фигура — кубик из атомов одного типа. Сколько атомов и на какое расстояние придётся переместить, чтобы собрать кубик с ребром 5 мкм?
1 мкм — 1000 нанометров, или 10 тыс. ангстрем. Если принять, что расстояние между соседними атомами в кубике 0,5 A°, то число атомов на ребре кубика будет равно 100 001, а общее число атомов в кубике — 100 001 x 100 001 x 100 001 ≈ 10 в 15 степени.
Любой материальный предмет — это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет. Станислав Лем
Попробуем собрать кубик, используя сканирующий туннельный микроскоп. Предположим, что на перемещение каждого атома понадобится одна секунда, тогда на всю сборку уйдёт около 30 млн лет. Такую технологию трудно назвать практически применимой. Два СТМ позволили бы сделать эту работу вдвое быстрее, а десять СТМ, к сожалению, не удалось бы задействовать одновременно — вокруг собираемого кубика они не разместятся!
Чтобы сложить кубик за разумное время (например, за несколько часов, минут или секунд), нужно либо повысить скорость перемещения атомов, либо использовать большое количество одновременно работающих «сборщиков» (универсальные наномашины, или самоусовершенствующиеся микророботы), которые настолько миниатюрны, что не помешают друг другу.
Во сколько раз надо ускорить перемещение атомов, чтобы один «сборщик» выполнил всю работу за 10 с? В этом случае он за 1 с должен перемещать одну десятую от общего числа атомов. Пусть каждый атом необходимо передвинуть на расстояние 10 мкм, тогда за 1 с «сборщик» произведёт 10 14 перемещений по 10 мкм, т.е. общее перемещение составит 10 в 15 степени мкм = 10 в 9 степени м = 10 в 6 степени км > 300 000 км.
Таким образом, за 1 с мельчайшие сдвиги атомов, производимые «сборщиком», в целом составят расстояние 1 млн километров. Чтобы подобного достичь, он должен временами двигаться в несколько раз быстрее скорости света, что противоречит принципу относительности.
При создании устройств размерами в миллиметры или метры по принципам нанотехнологии трудности усугубятся. Так, расстояния, на которые придётся перемещать атомы, при переходе от микронов к миллиметрам и метрам увеличатся в тысячу и миллион раз соответственно, а число атомов возрастёт в 10 в 9 степени и 10 в 18 степени раз.
Следовательно, создание продукции в нанотехнологии возможно, только когда «пункты сборки» распределены по всей поверхности (объёму) создаваемого устройства и работают параллельно.
Чтобы представить такой параллелизм, вообразим повреждённый муравейник и его обитателей, занятых починкой. Толпы муравьёв работают не мешая друг другу. По сравнению с размером муравейника размер любого муравья крайне мал. Хотя отдельные муравьи трудятся относительно независимо, их совместная работа подчинена единой цели.
Осуществимы ли нанотехнологии?
Пример со сборкой кубика наводит на грустные мысли. Неужели основные физические принципы и законы доказывают практическую неосуществимость нанотехнологий, подобно тому как принцип относительности говорит о невозможности полёта к ближайшей звезде на выходные, а принцип сохранения энергии — о невозможности постройки вечного двигателя?
Эрик Дрекслер
Один из теоретиков нанотехнологий, американский учёный Эрик Дрекслер, приводит следующий пример. Если бы человечество владело нанотехнологиями, медики могли бы создать устройство размером в несколько микрон, состоящее из мешка, лап с присосками и хобота. Его вводили бы в кровь человека, и устройство отыскивало бы микробы, присасывалось к ним и через хобот впрыскивало антибиотик, запасённый в мешке. Лечить многие болезни стало бы легче.
Наноробот с клеткой крови
Но откуда известно, что нанотехнологии, в отличие от вечного двигателя, вполне возможны? Реально ли создание «карликовых» устройств, не противоречит ли это каким-либо физическим законам? Ответим на вопрос, рассмотрев капельку крови человека под микроскопом. В крови плавают и охотятся за микробами по сути точно такие же «устройства», которые называются антителами. Они появляются в организме по генетическому коду (точный план), шаг за шагом, молекула за молекулой. Всё живое на Земле, от бактерии и простейшего гриба до человека и секвойи, создано с помощью процессов, манипулирующих небольшими группами атомов — аминокислотами и белками. То есть в каком-то смысле можно считать, что нанотехнологии уже работают в живой природе.
К настоящему времени на принципах нанотехнологий разработаны конструкции из сотен и даже тысяч атомов, но среди них пока ещё нет ни одной, сравнимой по сложности с живой клеткой. Однако само существование жизни и биологических процессов доказывает практическую осуществимость нанотехнологий.
Любые самовоспроизводящиеся объекты, будь то бактерии в человеческом теле, водоросли в пруду, сорняки на вспаханном поле, закваска в тесте или вирусы в компьютерной сети, быстро размножаются, преобразуя окружающую среду часто нежелательным для человека или даже катастрофическим образом. Одна из таких катастроф описана в известной немецкой сказке «Горшок каши», когда горшочек всё варил и варил кашу, покрыв в конце концов ею весь город.
Но действительность может оказаться страшнее любой сказки. Учёные, разрабатывающие подходы к нанотехнологиям, уже сейчас задумываются над опасностью выхода из-под контроля самовоспроизводящихся (или даже самоусовершенствующихся) микророботов. Гипотетическая катастрофа получила название «серая слизь» — так обозначают неконтролируемый процесс переработки почвы, воды, воздуха микроскопическими роботами, при котором Земля покрывается неисчислимой массой «сборщиков».
Подобное может произойти буквально за несколько дней. Представьте себе выброшенного волной на песчаный морской берег самовоспроизводящегося робота размером 10 мкм. Пусть он состоит из атомов кремния, кислорода, водорода, азота, углерода (и некоторых металлов, соли которых растворены в морской воде). При попадании на солнечный свет микроробот начинает самовоспроизводиться (при условии, что рядом есть запас нужных атомов).
Если процесс «клонирования» занимает полчаса, то к концу первого дня на пляже вырастет 20 поколений роботов общей численностью около миллиона штук и общим объёмом 1 мм3.
К концу второго дня объём их составит 1 дм3, к концу третьего — 1000 м3, а к концу четвёртого дня, если хватит песка, — 1 км3.
Весь пляж превратится в «серую слизь».
Теоретики нанотехнологий уже сейчас начали вырабатывать принципы устройства микророботов-«сборщиков», позволяющие избежать катастрофы «серой слизи». Эти принципы похожи на знаменитые законы робототехники, сочинённые писателем-фантастом А. Азимовым. Только они не выдуманы писателями, а изложены учёными для практических целей.
- Принцип 1. «Сборщик» должен начинать самовоспроизводство только по команде извне.
- Принцип 2. Запрещается разрабатывать процессы сборки, идущие с выделением энергии.
- Принцип 3. Для воспроизводства должны быть необходимы вещества, не встречающиеся в природе.
Смелые прогнозы
Уже найдено много интереснейших способов применения нанотехнологий, и количество прогнозов увеличивается с каждым днём. Приведём только три описания технических устройств завтрашнего дня.
Механический нанокомпьютер, подобный компьютеру Бэббиджа, способный работать с частотами в сотни гигагерц. Этот компьютер будет состоять из мельчайших деталей, каждая из
которых образована всего несколькими тысячами атомов.
Сверхпрочные саморемонтируемые материалы, позволяющие построить башню с лифтом для подъёма полезных грузов в космос. По соединённым углеродным трубкам в стенах такой башни должны ползать «ремонтники», обнаруживая и устраняя повреждения.
Микроскопическая «подводная лодка», плавающая в крови человека и способная транспортировать кислород из лёгких в ткани и углекислый газ обратно. Если полстакана таких искусственных кровяных телец ввести человеку в кровь, то он сможет обходиться без воздуха несколько часов.
Нанороботы обогащают ткани
Нанотехнологии немыслимы без компьютеров, коммуникаций, программирования и других элементов информатики. Роботы-«сборщики» будут получать и обрабатывать информацию извне, а также обмениваться информацией друг с другом.
Мощности передатчиков и чувствительности приёмников микророботов хватит только для связи на короткие расстояния, так что роботы, скорее всего, станут ретранслировать информацию, образуя коммуникационные сети. Микророботов и программы для них придётся создавать на самой современной технике: сначала на обычных электронных компьютерах, а впоследствии и на нанокомпьютерах.
Увидит ли сегодняшнее поколение результаты внедрения нанотехнологий?
Практическое применение нанотехнологий не за горами. Сегодня за 4 тыс. долларов продаётся 500-страничный отчёт, в котором для бизнесменов и государственных деятелей даются рекомендации по инвестициям в нанотехнологии.
Согласно этому отчёту, первое промышленное применение нанотехнологий произойдёт уже в 10-х гг. XXI в., а спустя ещё десятилетие нанотехнологии образуют заметный сектор в мировой экономике.
Нанороботы
Систематическое изложение идей нанотехнологии было опубликовано в середине 80-х гг. XX в. Э. Дрекслером в книге «Машины творения». Основная идея заключалась в разработке и массовом производстве специальных роботов-«сборщиков», способных по заданной программе собирать новые конструкции, в том числе и самих себя. Человек сначала использовал простейшие инструменты для создания более сложных, а затем после их усовершенствования возникали технологии, позволяющие выпускать автомобили и самолёты, компьютеры и телевизоры и многие другие полезные вещи.
Нанороботы
Так и в нанотехнологиях придётся создать несколько поколений универсальных наноинструментов, пока, наконец, с их помощью можно будет произвести что-то полезное. Дрекслер считает, что первые поколения наноинструментов станут копировать конструкции живой природы: «…гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объект работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно напротив правильного места. Подобно ферменту, она тогда свяжет молекулы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина собирает всё большую и большую структуру, в то же время ведётся полный контроль за тем, как упорядочены атомы. Это есть ключевое умение, которым не обладают химики. Подобно рибосомам, такие наномашины смогут работать под управлением молекулярных лент».
После того как с помощью простейших белковых машин будут построены сложные, а затем ещё более сложные, удастся создать первые универсальные «сборщики».
«…Это второе поколение наномашин, построенное из чего-то большего, чем только белки. Некоторые новые наномашины смогут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования ферментоподобные машины второго поколения будут применять в качестве инструментов почти каждую из химических молекул, они смогут связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры. Поскольку сборщики позволят нам размещать атомы почти любым разумным образом, то мы сможем построить почти всё, что угодно, что не противоречит законам природы. В частности, и новые сборщики».
Э. Дрекслер
Там, в глубине…
В 1959 г. американский физик, будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Филлипс Фейнман выступил перед Американским физическим обществом с докладом «Там, в глубине, полным-полно свободного места (Приглашение начать новое направление в физике)».
Нанотехнологии тесно связаны с информатикой по нескольким причинам. Исторически обсуждение нанотехнологий началось с задачи компактного хранения информации. Применение нанотехнологий обещает радикально изменить как компьютеры, так и методы их применения. Развитие нанотехнологий невозможно без применения методов информатики. Начинался доклад с неожиданного вопроса: можно ли записать все 24 тома Британской энциклопедии на булавочной головке?
Фейнман ответил на этот вопрос положительно. Чтобы понять его рассуждения, помимо сведений, входящих в школьную программу, нужно знать только, что расстояние между атомами булавочной головки, сделанной из обычного металла, составляет доли ангстрема (A — единица измерения длины, равная 0,1 нм).
«Размер булавочной головки составляет пример но 1,5 мм. Если увеличить диаметр головки в 25 тыс. раз, то её площадь станет примерно равна суммарной площади всех страниц энциклопедии. Значит, всё, что нужно сделать, это научиться писать в 25 тыс. раз мельче. Возможно ли такое? Разрешающая способность глаза около 0,2 мм, что примерно равно диаметру точек, из которых складываются полутоновые картинки. Если уменьшить подобную точку в 25 тыс. раз, то получится область 80A в диаметре, т.е. равная по размеру 32 расстояниям между атомами обычного металла. Иными словами, после уменьшения наша точечка будет всё ещё содержать около тысячи атомов. Значит, ей можно легко придать нужную форму в процессе фотогравировки и, без всякого сомнения, на булавочной головке найдётся достаточно места, чтобы нанести на неё содержимое всей Британской энциклопедии».
Далее Фейнман заявил, что накопленную человечеством информацию вполне можно уместить в небольшой брошюре, и притом не в закодированном виде, а просто уменьшив в размере исходный материал (со всеми рисунками, репродукциями, таблицами и т.п.). Если же, продолжил учёный, хранить информацию не в виде пропорционально уменьшенной копии на поверхности вещества (булавочной головке), а в закодированном виде внутри вещества, то результаты будут ещё более поразительны.
Представим, что информация закодирована точками и тире, причём точка изображена в виде атома одного металла, а тире — в виде атома другого. Если хранить каждую такую порцию информации внутри маленького куба размером 5 x 5 x 5 атомов, то после несложного подсчёта получится, что «вся информация, которую человечество собирало в книгах за всю свою историю, может быть помещена в кубик размером чуть меньше 0,1 мм — пылинку, едва различимую человеческим взглядом».
В заключение доклада Фейнман сказал:
«Физические принципы, насколько я могу видеть, не содержат запрета на возможность манипулировать предметами атом за атомом. Такое манипулирование не нарушает никаких законов, в принципе оно возможно; однако на практике это ещё не делалось, поскольку мы слишком велики».
