Нанотехнологическая революция

Исчерпывающего определения понятия “нанотехнология” пока не существует. По аналогии с микротехнологиями можно сказать, что нанотехнологии оперируют величинами порядка нанометра, т.е. одной миллиардной доли метра. Это ничтожная величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от “микро” к “нано” – не количественный, а качественный, означающий скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами.

В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий в отличие от туннельного, осуществлять взаимодействие не только с проводящими, но с любыми материалами². При помощи туннельного микроскопа стало возможным “подцепить” атом и поместить его в нужное место, т.е. манипулировать атомами, а, следовательно, непосредственно собирать из них любой предмет, любое вещество.

С 1994 г. начинается применение нанотехнологических методов в промышленности.

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, называют наноиндустриальной революцией.

В Японии ежегодно ведутся работы примерно по 12 нанотехнологическим проектам. Крупнейшим в 1992 г. был “Angstrom Technology Project” – самый значительный из серии проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера (стоимость 185 млн долл., рассчитан на 10 лет). В его реализации участвуют 50-80 фирм. Можно отметить также проект “Atom Craft Project”, связанный с атомной сборкой, проект квантовых функциональных приборов и др. По словам их руководителей, они формируют технологию XXI в. и планируют заложить основу для технологии терабитных кристаллов.

Во Франции открыт клуб нанотехнологов, объединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Великобритании издаются журналы “Нанотехнология” и “Нанобиология”, а в 1998 г. состоялась пятая международная конференция по данным проблемам.

Что касается России, то по масштабам фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологий она отстает от ведущих стран. Тем не менее, в ряде институтов Российской академии наук проводятся серьезные работы в этой сфере. Так, в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе под руководством Нобелевского лауреата Ж.Алферова осуществляются передовые разработки наногетероструктур, получившие международное признание.

Можно выделить три направления, тесно связанные между собой:

• изготовление электронных схем (в том числе объемных) с активными элементами, чьи размеры сравнимы с размерами единичных молекул или атомов;

• разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов роботов величиной с молекулу, использование которых открывает перед человечеством невиданные перспективы;

• непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всевозможных материалов (как здание собирается из кирпичей). Эта задача в свою очередь распадается на две концепции. Первая –перестройка имеющихся структур (например, перестроив порядок атомов в угле, можно изготовить алмаз). Вторая – сборка большего из меньшего (так, используя молекулы воды и углекислого газа, можно изготовить из них сахар или крахмал, как это делают растения).

Все это постепенно входит в жизнь. В некоторых областях промышленности нанотехнологический контроль изделий и материалов (буквально на уровне единичных атомов) стал обыденным. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.

Что касается наномашин, то они способны коренным образом изменить среду обитания человека. В 1992 г. Эрик Дрекслер³, один из идеологов нанотехнологий, нарисовал картину обозримого будущего. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и многие другие, стоящие перед человечеством глобальные проблемы. Ключом к этому станут крошечные машины размером с молекулу, обладающие способностью к самовоспроизведению. Используя в качестве строительного материала атомы, они смогут производить все необходимое с недостижимой ранее эффективностью.

В основе разработки наномашин лежит простая идея. Хотя средства для манипуляций отдельными атомами имеются и сейчас, вряд ли их можно “напрямую” применить для того, чтобы собрать что-то конкретное для практического использования, хотя бы из-за количества атомов, которые придется “монтировать”. Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, способные при помощи управляющих сигналов извне (акустических, электромагнитных и пр.) манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те в свою очередь смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. В конечном итоге этот экспоненциальный процесс приведет к проектированию молекулярных роботов – механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В разработке таких нанокомпьютеров нет ничего фантастического, активные электронные элементы подобных размеров уже получены в лабораторных условиях.

В результате мир коренным образом преобразится. Практически все необходимое для жизнедеятельности человека может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды (продукты питания – из почвы и воздуха, как их производят растения, кремниевые микросхемы – из песка). Очевидно, что подобное производство будет значительно более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство. Необходимо лишь снабдить наномашины сырьем и энергией, а все остальное они сделают сами (хотя в принципе ничто не мешает наномашинам самим добывать и сырье и энергию). Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, где не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду.

Оптимисты и пессимисты, предсказывая, когда при помощи молекулярных роботов удастся поставить барьер на пути болезней и старения человека, расходятся в своих оценках незначительно. По разным прогнозам, это произойдет во второй или третьей четверти XXI в.

Возможные последствия развития нанотехнологий – коренное преобразование практически всех отраслей науки и техники.

В электронике ожидается создание сверхбыстродействующих компьютеров не только с обычными архитектурами, но и нейрокомпьютеров, сверхбыстродействующих функциональных устройств с рекордной производительностью. В оптоэлектронике будут синтезированы давно ожидаемые излучатели с перестраиваемым спектром и широкополосные фотоприемники с высокими КПД. Кардинальные изменения произойдут в медицине с реализацией возможностей генной инженерии, созданием эффективных молекулярных диагностических устройств и соответствующих биосинтезаторов. Радикально преобразуется химическая индустрия, предприятия которой превратятся из гигантов в практически персональные синтезаторы.

Что касается точных сроков начала реализации нанотехнологий в повседневной практике, то в ведущих лабораториях мира отдельные наноэлектронные элементы существуют уже сейчас, а более широкое применение, по оценкам специалистов, придется уже на первую четверь XXI в.⁴ Нанотехнология станет основой значительных эволюционных изменений, многие из которых будут настолько качественно отличаться от сегодняшнего мира, что в настоящее время их просто невозможно описать.