У сучасній науковій мові приставка “нано” служить для утворення найменування часткових одиниць фізичних величин, рівних одній мільярдній вихідних одиниць. Наприклад, нанометр – це одна мільярдна частина метра, тобто 1 нанометр (нм) = 0,000 000 001 м.
Вчені та інженери домовилися про точне значення цієї приставки в 1960 р, зробивши її від слова «нанос» (в перекладі з грецького «карлик»), яке вживається вже тисячі років. Відповідно під нанотехнологіями розуміють технології, що мають справу з чимось карликовим, дуже маленьким, що становить всього лише мільярдні частки чогось, скажімо мільярдні частки метра.
З розміром в 0,001 м, або міліметром, часто зустрічаються в повсякденному житті. Розмір шпилькової головки трохи більше 1 мм.але в порівнянні з нанометром міліметр величезний, він дорівнює цілому мільйону нанометрів. Інженери вже давно звикли мати справу з тисячними частками міліметра-мікрометрами (мкм), або мікронами: 1 мкм = 0,000 001 м = 1000 нм.
Діаметр людської волосини – 1/20 мм, тобто 50 мкм. Квітковий пилок складається з пилинок розміром кілька мікронів, які непомітні неозброєним оком.
При аналізі крові людини лаборанти розглядають зразки під мікроскопом і в першу чергу підраховують кількість червоних кров’яних клітин, що мають форму дисків діаметром кілька мікронів.
Червоні кров’яні клітини
А як часто стикаються з розмірами менше мікрона? Всі бачили веселку на небі або в бризках води фонтану. Кольори в Веселці змінюються від червоного до фіолетового. Фізика вчить, що вони розрізняються довжиною світлової хвилі – від 0,44 мкм (Червоний) до 0,7 мкм (фіолетовий).
Як же уявити собі один нанометр? Треба виготовити мініатюрний металевий стерженек довжиною 1 мкм, помістити під мікроскоп і за допомогою якого-небудь хитромудрого пристосування розрізати навпіл. Одну половинку викинути, іншу знову розрізати навпіл. Чи можливо, хоча б теоретично, повторити процедуру десять разів поспіль? Вихідний стерженек складається з атомів, і після розрізання його розмір ніяк не стане менше відстані між атомами. Для більшості металів відстань між атомами становить 0,1-0,7 нм.
Одиниця виміру мікрон позначається μm. Через те, що вводити грецькі букви при наборі текстів російською або англійською мовою незручно, найбільш вживане неофіційне позначення um. Якщо у грецької літери μ (»мю”) стерти нижній хвостик, вийде якраз буква латинського алфавіту u.
Таким чином, на стерженьке довжиною 1 мкм вміститься всього кілька тисяч шарів атомів металу. Після першого поділу стерженька число шарів зменшиться приблизно вдвічі, після другого — приблизно вчетверо, після десятого — приблизно в 1 тис.разів, тобто після десяти поділів (якби вдалося їх виконати) довжина стерженька стала б близько 1 нм і стерженек складався б всього з декількох (менше десяти) шарів металу. Отже, нанометр-одиниця, зручна для вимірювання об’єктів, що складаються з невеликого числа атомів.
Тепер знову повернемося до слова «нанотехнології». Насправді приставка “нано” в цьому слові підкреслює не Розміри об’єктів, а їх тип. Нанотехнології націлені на індивідуальну роботу з окремими атомами.
Звичайні технології, наприклад обробка деталі на токарному верстаті, варіння скла або виготовлення бетонних конструкцій, створюють предмети, тобто збирають атоми в потрібні скупчення, маніпулюючи величезними погано керованими групами атомів.
Нанотехнології тісно пов’язані з інформатикою. По-перше, до необхідності створення нанотехнологій прийшли після постановки р.Фейнманом у своїй доповіді завдання компактного зберігання інформації. По-друге, нанотехнології обіцяють радикально змінити як інструменти обробки інформації (комп’ютери), так і методи їх використання. По-третє, розвиток нанотехнологій неможливий без застосування методів інформатики.
Перші лабораторні успіхи
Ще філософи Стародавньої Греції здогадалися, що речовина складається з атомів. Тоді це було доведено теоретично та експериментально, але жодна людина не могла присягнути: “я бачив атом!». Розрізнити окремий атом за допомогою будь-якого оптичного приладу в принципі неможливо. Оптичні прилади працюють зі світловими коливаннями.
Їх роздільною здатністю є відстань між двома об’єктами, на якому вони ще відрізняються один від одного (відстань не перевищує довжини хвилі світлових коливань). Довжина хвилі видимого світла близько 500 нм, що в тисячі разів перевищує відстань між атомами. Для» Підглядання ” за атомами потрібні більш часті коливання. З точки зору сучасної фізики електрон не тільки частинка, але і хвиля, коливання. Довжина цієї хвилі менше відстані між атомами, за допомогою електронних хвиль в мікроскоп з» електронним світлом ” можна побачити окремий атом (відрізнити його від інших атомів). У 80 – х рр. створили такий мікроскоп, названий скануючим тунельним мікроскопом (ВТМ).
Основна ідея полягає в тому, щоб у вакуумі переміщати над поверхнею твердого тіла кінчик гострої голки, до якої прикладено напругу. Якщо відстань між зразком і кінчиком голки досить мало, то електрони тунелюють (перескакують) з вістря голки на зразок, утворюючи струм тунелювання. Водячи голкою за зразком і вимірюючи струм, дослідники отримують можливість «нанести на карту» розташування мікроскопічних (атомних розмірів) «пагорбів» і «долин» на поверхні зразка.
У 1986 р винахідники СТ м були удостоєні Нобелівської премії. Скануючий тунельний мікроскоп, що вміщається (якщо без вакуумної камери) на долоні, має дозвіл по вертикалі деталі розміром в 0,1 A (де а – це сторона куба), або, інакше кажучи, одну десяту діаметра атома водню. Роздільна здатність скануючого вістря шириною всього в кілька атомів допускає дозвіл деталі горизонтальній площині розміром не більше 2 A (де а – це сторона куба).
Вченим вже вдалося виготовити вістря шириною в один атом. Наконечник голки робиться у формі піраміди, передостанній і останній шари складаються з трьох і одного атомів відповідно.
ВТМ дозволяє не тільки бачити, але і переміщати атоми. Наприклад, в 1980 р.співробітники фірми IBM нанесли на нікелеву підкладку 35 атомів ксенону, виклавши з них назву своєї компанії.
Неминучість поділу праці в нанотехнологіях
Маніпулюючи окремими атомами і молекулами, в принципі можна створювати нові пристрої різних розмірів. Від мікроскопічних, невиразні для неозброєного ока, до пристроїв планетарного масштабу, за величиною перевершують Землю. Навіть самі крихітні пристрої будуть містити величезну кількість атомів. Щоб виконати пристрій за допомогою нанотехнології, кожен атом доведеться перемістити на відведене йому місце.
Подумки проведемо експеримент. Для цього буде потрібно найпростіша фігура — кубик з атомів одного типу. Скільки атомів і на яку відстань доведеться перемістити, щоб зібрати кубик з ребром 5 мкм?
1 мкм — 1000 нанометрів, або 10 тис.ангстрем. Якщо прийняти, що відстань між сусідніми атомами в кубику 0,5 A°, то число атомів на ребрі кубика дорівнюватиме 100 001, а загальне число атомів в кубику — 100 001 x 100 001 x 100 001 ≈ 10 в 15 ступеня.
Будь-який матеріальний предмет-це всього лише скупчення атомів в просторі. Те, як ці атоми зібрані в структуру, визначає, що це буде за предмет. Станіслав Лем
Спробуємо зібрати кубик, використовуючи скануючий тунельний мікроскоп. Припустимо, що на переміщення кожного атома знадобиться одна секунда, тоді на всю збірку піде близько 30 млн років. Таку технологію важко назвати практично застосовною. Два ВТМ дозволили б зробити цю роботу вдвічі швидше, а десять ВТМ, на жаль, не вдалося б задіяти одночасно — навколо зібраного кубика вони не розмістяться!
Щоб скласти кубик за розумний час (наприклад, за кілька годин, хвилин або секунд), потрібно або підвищити швидкість переміщення атомів, або використовувати велику кількість одночасно працюючих «збирачів» (універсальні наномашини, або самовдосконалюються мікророботи), які настільки мініатюрні, що не завадять один одному.
У скільки разів треба прискорити переміщення атомів, щоб один «складальник» виконав всю роботу за 10 з? У цьому випадку він за 1 З повинен переміщати одну десяту від загального числа атомів. Нехай кожен атом необхідно пересунути на відстань 10 мкм, тоді за 1 з «збирач» зробить 10 14 переміщень по 10 мкм, тобто загальне переміщення складе 10 в 15 ступеня мкм = 10 в 9 ступеня м = 10 в 6 ступеня км > 300 000 км.
Таким чином, за 1 з найдрібніші зрушення атомів, вироблені «збирачем», в цілому складуть відстань 1 млн кілометрів. Щоб подібного досягти, він повинен часом рухатися в кілька разів швидше швидкості світла, що суперечить принципу відносності.
При створенні пристроїв розмірами в Міліметри або метри за принципами нанотехнології труднощі посиляться. Так, відстані, на які доведеться переміщати атоми, при переході від мікронів до міліметрів і метрів збільшаться в тисячу і мільйон разів відповідно, а число атомів зросте в 10 в 9 ступеня і 10 в 18 ступеня раз.
Отже, створення продукції в нанотехнології можливо, тільки коли» пункти збірки ” розподілені по всій поверхні (обсягом) створюваного пристрою і працюють паралельно.
Щоб уявити такий паралелізм, уявімо пошкоджений мурашник і його мешканців, зайнятих лагодженням. Натовпи мурах працюють не заважаючи один одному. У порівнянні з розміром мурашника розмір будь-якого мурашки вкрай малий. Хоча окремі мурахи працюють відносно незалежно, їх спільна робота підпорядкована єдиній меті.
Чи здійсненні нанотехнології?
Приклад зі складанням кубика наводить на сумні думки. Невже основні фізичні принципи і закони доводять практичну нездійсненність нанотехнологій, подібно до того як принцип відносності говорить про неможливість польоту до найближчої зірки на вихідні, а принцип збереження енергії — про неможливість побудови вічного двигуна?
Ерік Дрекслер
Один з теоретиків нанотехнологій, американський вчений Ерік Дрекслер, наводить наступний приклад. Якби людство володіло нанотехнологіями, медики могли б створити пристрій розміром в кілька мікрон, що складається з мішка, лап з присосками і хобота. Його вводили б в кров людини, і пристрій відшукувала б мікроби, присмоктувалася до них і через хобот впорскувало антибіотик, запасений в мішку. Лікувати багато хвороб стало б легше.
Наноробот з клітиною крові
Але звідки відомо, що нанотехнології, на відміну від вічного двигуна, цілком можливі? Чи Реально створення “карликових” пристроїв, чи не суперечить це яким-небудь фізичним законам? Відповімо на питання, розглянувши крапельку крові людини під мікроскопом. У крові плавають і полюють за мікробами по суті точно такі ж «пристрої», які називаються антитілами. Вони з’являються в організмі за генетичним кодом (точний план), крок за кроком, молекула за молекулою. Все живе на Землі, від бактерії і найпростішого гриба до людини і секвої, створено за допомогою процесів, що маніпулюють невеликими групами атомів — амінокислотами і білками. Тобто в якомусь сенсі можна вважати, що нанотехнології вже працюють в живій природі.
До теперішнього часу на принципах нанотехнологій розроблені конструкції з сотень і навіть тисяч атомів, але серед них поки ще немає жодної, порівнянної за складністю з живою клітиною. Однак саме існування життя і біологічних процесів доводить практичну здійсненність нанотехнологій.
Будь-які самовідтворюються об’єкти, будь то бактерії в людському тілі, водорості в ставку, бур’яни на зораному полі, закваска в тесті або віруси в комп’ютерній мережі, швидко розмножуються, перетворюючи навколишнє середовище часто небажаним для людини або навіть катастрофічним чином. Одна з таких катастроф описана у відомій німецькій казці “горщик каші”, коли горщик все варив і варив кашу, покривши врешті-решт нею все місто.
Але дійсність може виявитися страшніше будь-якої казки. Вчені, які розробляють підходи до нанотехнологій, вже зараз замислюються над небезпекою виходу з-під контролю самовідтворюються (або навіть самовдосконалюються) мікророботів. Гіпотетична катастрофа отримала назву “сіра слиз” — так позначають неконтрольований процес переробки грунту, води, повітря мікроскопічними роботами, при якому Земля покривається незліченною масою»збирачів”.
Подібне може статися буквально за кілька днів. Уявіть собі викинутого хвилею на піщаний морський берег самовідтворюваного робота розміром 10 мкм. Нехай він складається з атомів кремнію, кисню, водню, азоту, вуглецю (і деяких металів, солі яких розчинені в морській воді). При попаданні на сонячне світло мікроробот починає самовідтворюватися (за умови, що поруч є запас потрібних атомів).
Якщо процес “клонування” займає півгодини, то до кінця першого дня на пляжі виросте 20 поколінь роботів загальною чисельністю близько мільйона штук і загальним обсягом 1 мм3.
До кінця другого дня обсяг їх складе 1 дм3, до кінця третього — 1000 м3, а до кінця четвертого дня, якщо вистачить піску, — 1 км3.
Весь пляж перетвориться на»сіру слиз”.
Теоретики нанотехнологій вже зараз почали виробляти принципи пристрою мікророботів – » збирачів«, що дозволяють уникнути катастрофи»сірого слизу”. Ці принципи схожі на знамениті закони робототехніки, складені письменником-фантастом а.Азімовим. Тільки вони не вигадані письменниками, а викладені вченими для практичних цілей.
- Принцип 1. “Складальник” повинен починати самовідтворення тільки по команді ззовні.
- Принцип 2. Забороняється розробляти процеси складання, що йдуть з виділенням енергії.
- Принцип 3. Для відтворення повинні бути необхідні речовини, що не зустрічаються в природі.
Сміливі прогнози
Вже знайдено багато цікавих способів застосування нанотехнологій, і кількість прогнозів збільшується з кожним днем. Наведемо тільки три описи технічних пристроїв завтрашнього дня.
Механічний нанокомп’ютер, подібний до Комп’ютера Беббіджа, здатний працювати з частотами в сотні гігагерц. Цей комп’ютер буде складатися з найдрібніших деталей, кожна з яких
яких утворена всього кількома тисячами атомів.
Надміцні саморемонтні матеріали, що дозволяють побудувати вежу з ліфтом для підйому корисних вантажів у космос. За Сполученим вуглецевим трубках в стінах такої вежі повинні повзати «ремонтники», виявляючи і усуваючи пошкодження.
Мікроскопічна “підводний човен”, плаваюча в крові людини і здатна транспортувати кисень з легенів в тканини і вуглекислий газ назад. Якщо півсклянки таких штучних кров’яних тілець ввести людині в кров, то він зможе обходитися без повітря кілька годин.
Нанороботи збагачують тканини
Нанотехнології немислимі без комп’ютерів, комунікацій, програмування та інших елементів інформатики. Роботи – “збирачі” будуть отримувати і обробляти інформацію ззовні, а також обмінюватися інформацією один з одним.
Потужності передавачів і чутливості приймачів мікророботів вистачить тільки для зв’язку на короткі відстані, так що роботи, швидше за все, стануть ретранслювати інформацію, утворюючи комунікаційні мережі. Мікророботів і програми для них доведеться створювати на найсучаснішій техніці: спочатку на звичайних електронних комп’ютерах, а згодом і на нанокомп’ютерах.
Чи побачить сьогоднішнє покоління результати впровадження нанотехнологій?
Практичне застосування нанотехнологій не за горами. Сьогодні за 4 тис. доларів продається 500-сторінковий звіт, в якому для бізнесменів і державних діячів даються рекомендації з інвестицій в нанотехнології.
Згідно з цим звітом, перше промислове застосування нанотехнологій відбудеться вже в 10-х рр. XXI ст., а ще через десятиліття нанотехнології утворюють помітний сектор у світовій економіці.
Нанороботи
Систематичний виклад ідей нанотехнології було опубліковано в середині 80-х рр. Основна ідея полягала в розробці і масовому виробництві спеціальних роботів-«збирачів», здатних за заданою програмою збирати нові конструкції, в тому числі і самих себе. Людина спочатку використовував найпростіші інструменти для створення більш складних, а потім після їх удосконалення виникали технології, що дозволяють випускати автомобілі і літаки, комп’ютери і телевізори і багато інших корисних речей.
Нанороботи
Так і в нанотехнологіях доведеться створити кілька поколінь універсальних наноінструментів, поки, нарешті, з їх допомогою можна буде зробити щось корисне. Дрекслер вважає, що перші покоління наноінструментів стануть копіювати конструкції живої природи: “…гнучка, програмована білкова машина схопить велику молекулу (об’єкт роботи), в той час як маленька молекула буде встановлена саме навпроти правильного місця. Подібно ферменту, вона тоді зв’яже молекули разом. Прив’язуючи молекулу за молекулою до зібраного шматка, машина збирає все більшу і більшу структуру, в той же час ведеться повний контроль за тим, як впорядковані атоми. Це є ключове вміння, яким не володіють хіміки. Подібно рибосомам, такі наномашини зможуть працювати під управлінням молекулярних стрічок“.
Після того як за допомогою найпростіших білкових машин будуть побудовані складні, а потім ще більш складні, вдасться створити перші універсальні «збирачі».
«…Це друге покоління наномашин, побудоване з чогось більшого, ніж тільки білки. Деякі нові наномашини зможуть служити як вдосконалені пристрої для складання молекулярних структур. Стійкі до кислоти або вакууму, заморожування або нагрівання, в залежності від мети використання ферментоподобние машини другого покоління будуть застосовувати в якості інструментів майже кожну з хімічних молекул, вони зможуть зв’язати атоми для отримання практично будь-якої стійкої структури. Оскільки збирачі дозволять нам розміщувати атоми майже будь-яким розумним чином, то ми зможемо побудувати майже все, що завгодно, що не суперечить законам природи. Зокрема, і нові збирачі“.
Е. Дрекслер
Там, в глибині…
У 1959 р. американський фізик, майбутній лауреат Нобелівської премії Річард Філліпс Фейнман виступив перед американським фізичним товариством з доповіддю «Там, в глибині, повнісінько вільного місця (запрошення почати новий напрямок у фізиці)».
Нанотехнології тісно пов’язані з інформатикою з кількох причин. Історично обговорення нанотехнологій почалося з завдання компактного зберігання інформації. Застосування нанотехнологій обіцяє радикально змінити як комп’ютери, так і методи їх застосування. Розвиток нанотехнологій неможливий без застосування методів інформатики. Починалася доповідь з несподіваного питання: чи можна записати всі 24 томи Британської енциклопедії на шпильковій голівці?
Фейнман відповів на це питання позитивно. Щоб зрозуміти його міркування, крім відомостей, що входять в шкільну програму, потрібно знати тільки, що відстань між атомами шпилькової головки, зробленої зі звичайного металу, становить частки ангстрема (A — одиниця виміру довжини, рівна 0,1 нм).
“Розмір шпилькової головки становить приклад але 1,5 мм.якщо збільшити діаметр головки в 25 тис. разів, то її площа стане приблизно дорівнює сумарній площі всіх сторінок енциклопедії. Значить, все, що потрібно зробити, це навчитися писати в 25 тис.разів дрібніше. Чи можливо таке? Роздільна здатність ока близько 0,2 мм, що приблизно дорівнює діаметру точок, з яких складаються напівтонові картинки. Якщо зменшити подібну точку в 25 тис. разів, то вийде область 80A в діаметрі, тобто рівна за розміром 32 відстаням між атомами звичайного металу. Іншими словами, після зменшення наша крапочка буде все ще містити близько тисячі атомів. Значить, їй можна легко надати потрібну форму в процесі фотогравіровкі і, без всякого сумніву, на шпилькової голівці знайдеться достатньо місця, щоб нанести на неї вміст всієї Британської енциклопедії”.
Далі Фейнман заявив, що накопичену людством інформацію цілком можна вмістити в невеликій брошурі, і до того ж не в закодованому вигляді, а просто зменшивши в розмірі вихідний матеріал (з усіма малюнками, репродукціями, таблицями і т.п.). Якщо ж, продовжив учений, зберігати інформацію не у вигляді пропорційно зменшеної копії на поверхні речовини (шпилькової голівці), а в закодованому вигляді всередині речовини, то результати будуть ще більш вражаючі.
Уявімо, що інформація закодована точками і тире, причому точка зображена у вигляді атома одного металу, а тире — у вигляді атома іншого. Якщо зберігати кожну таку порцію інформації всередині маленького куба розміром 5 x 5 x 5 атомів, то після нескладного підрахунку вийде, що «вся інформація, яку людство збирало в книгах за всю свою історію, може бути поміщена в кубик розміром трохи менше 0,1 мм — порошинку, ледь помітну людським поглядом».
На закінчення доповіді Фейнман сказав:
“Фізичні принципи, наскільки я можу бачити, не містять заборони на можливість маніпулювати предметами атом за атомом. Таке маніпулювання не порушує жодних законів, в принципі воно можливе; однак на практиці це ще не робилося, оскільки ми занадто великі”.
