Наукова магія. Людство вирішить більшу частину своїх проблем, навчившись керувати молекулами і атомами

В одному сантиметрі - десять міліметрів, в одному метрі - десять сантиметрів. Це практично все, що було потрібно знати школярам молодших класів про лінійних величинах протягом останнього століття. Існування молекул і атомів залишалося для них таємницею до того моменту як підросли школярі, вже цікавляться алкогольними напоями і протилежною статтю більше, ніж навчанням, не потрапляли на перші уроки фізики.

У найближчому майбутньому все зміниться. Одна з областей фізики знаходиться на порозі відкриттів, які до недавнього часу жили лише на сторінках книг письменників-фантастів. Мова, звичайно ж, йде про нанотехнології - галузі фундаментальної та прикладної науки і техніки, яка має справу з методами виробництва і застосування продуктів із заданою атомарної структурою, іншими словами - продуктів, створених шляхом маніпулювання окремими атомами і молекулами.

Коли в 2001 році американським вченим вперше вдалося створити функціональний пристрій на нанорівні, один з розробників сказав: "Тепер першокласники будуть вчити, що в одному сантиметрі - десять міліметрів, а в одному міліметрі - 1 * 10-06 нанометрів". Тим, хто сумнівався в цьому твердженні, пропонували поглянути на перше Нанопристрій, яке представляло собою автомобіль шириною 4 нанометра (це лише трохи більше, ніж товщина ДНК) з чотирма колесами з 60 атомів вуглецю кожне. І цей автомобіль, по суті представляв собою одну складну молекула, їздив, використовуючи енергію хімічних зв'язків. Правда для того, щоб зафіксувати його рух, потрібен був потужний тунельний мікроскоп.

На перший погляд, це абсолютно марна винахід, однак кращі уми світової науки так не вважають. Загальні світові інвестиції на розробки нанотехнологій щорічно перевищують $ 15 млрд. Найбільше грошей на ці дослідження витрачають США і Японія. Актуальність напряму зрозуміли і в Росії, де за указом президента була створена корпорація "Нанотехнології", яку очолив Анатолій Чубайс. "Обсяг продажів російської наноіндустрії досягне рівня, який був у РАО" ЄЕС Росії ", тобто 1 трлн рублів на рік", - пообіцяв Чубайс, прийнявши призначення на посаду.

Останні розробки підтверджують, що створені за допомогою нанотехнологій пристрої мають набагато більш високу енергоефективність, крім того, сама їхня будівля істотно полегшується тим, як сировина для їх створення можуть використовуватися кілька найпростіших видів атомів, таких як вуглець, водень, кремній, азот.

Нанороботи вже навчилися відрізняти ракові клітини від здорових і в найближчому майбутньому зможуть позбавити пацієнтів від важких і небезпечних процедур опромінення. Вони позбавлять від необхідності хірургічного втручання і забезпечать правильну "дієту", здійснюючи доставку калорій в організм, рятуватимуть метали від іржі і створять надпродуктивні комп'ютери наступного покоління.

"Нанотехнології зроблять таку ж революцію в управлінні матерією, яку комп'ютери справили в маніпулюванні інформацією", - стверджує Ральф Меркль, що працює в підрозділі нанотехнологій компанії Xerox.

Мікрокомп'ютер: ЧИМ МЕНШЕ, ТИМ РОЗУМНІШИЙ

Комп'ютерні технології завжди першими реагують на новітні досягнення науки. У суспільній свідомості ще не встигла вкоренитися думка про нанотехнології, як про реальність, а не про диво, але в індустрії електроніки вони вже давно прижилися. Сучасні процесори компанії Intel виробляються по технологічному процесу 65 нм. Експерти відзначають, що вже через кілька років може бути досягнута межа 11 нм. Подальше зменшення наноелектроніки неможливо. Після цього настане епоха "супернаночастіц" і створення квантових комп'ютерів і спінтроніки, де рушійною силою процесорів стануть найдрібніші частинки, відомі сучасній фізиці - кванти і спини.

Нанопристрої навчать самовідтворення

Єдиною проблемою, що стоїть на шляху розвитку нанотехнологій сьогодні, є дуже великий масштаб збірки. Переміщення окремих молекул проводиться за допомогою зондів, керованих комп'ютером, який, в свою чергу, управляється людиною. Процедура складання наноустройств має обмежений діапазон і не автоматизована на нанорівні.

Вчені вважають, що зрушити справу з мертвої точки допоможе керований механосінтез. В ході цієї, поки ще теоретичної процедури, молекули можна буде збирати з атомів за допомогою механічного наближення - скорочення відстані між атомами до тих пір, поки не вступлять в дію хімічні зв'язки. Це можливо лише при наявності маніпулятора, який здатний оперувати окремими атомами в радіусі до 100 нм. Управляти таким тонким пристроєм людина вже не зможе, для цього буде потрібно нанокомп'ютер. І швидше за все він повинен бути вбудований прямо в нанороботи-збирача, який буде здійснювати збірку пристроїв.

Американський інститут молекулярного виробництва оголосив конкурс на виготовлення першого такого пристрою з призовим фондом $ 250 тис. За найоптимістичнішими оцінками, стратегічний дме з нанокомп'ютер і наноманіпулятора буде створено не раніше 2015 року. Після цього розвиток нанотехнологій ніщо вже не буде стримувати, адже перший маніпулятор зможе відтворити сам себе без участі людини. Далі буде ще простіше. Використовуючи властивості ДНК до розмноження, кілька бактерій зможуть за кілька годин довести свою кількість до декількох мільйонів, не вимагаючи нічого, крім незначних обсягів енергії та сировини.

БІОТЕХНОЛОГІЇ: нанороботи ВІДІМКНУТЬ ДОРОГУ ДО МАТРИЦІ

У медицині та біотехнологіях використання нанороботів також обіцяє неймовірні прориви. Багато важкі і навіть невиліковні захворювання, перед якими пасує сучасна медицина, перестануть бути небезпечною загрозою. Медичні нанороботи дістануться до уражених органів і злоякісних клітин, не вимагаючи хірургічного втручання і хіміотерапії.

Британський футуролог Обрі де Грей переконаний, що завдяки нанотехнологій стане можливим регулярно оновлювати клітини організму і таким чином фактично досягти безсмертя. Більше того, він переконаний, це зовсім не справа далекого майбутнього - першими безсмертними, на його думку, стануть люди, що народилися на початку XXI століття.

Інші вчені в своїх прогнозах заходять ще далі і пророкують, що нанотехнології дозволять перебудувати людський організм. Наприклад, дадуть можливість управляти енергетичним балансом, поставляючи в організм калорії, без необхідності вживати в їжу продукти, що містять ці калорії.

Завдяки нанотехнологій стане можливим підвищити біологічну сумісність різних протезів і імплантів з нервовими тканинами людини. Можливо, збудеться мрія письменників фантастів жанру "кіберпанк", які описували нейроінтерфейси, що дозволяли людям майбутнього взаємодіяти з комп'ютерами безпосередньо через нервову систему.

2009 рік для нанотехнологій почався з сенсації. Американські вчені з університету Джона Хопкінса оголосили про створення нанороботів, здатного знищувати ракові клітини. Мікроскопічна пристрій розміром з частинку пилу має в діаметрі менше однієї десятої міліметра, при цьому воно здатне проникати в організм людини і переміщатися по ньому, орієнтуючись на біохімічні сигнали клітин. Робот вміє відрізняти злоякісні клітини від здорових і видаляти їх і організму.

Зовні наноробот схожий на краба - у нього є "тулуб" і три пари "колишній", якими він чіпляється за тканини і проводить всі необхідні маніпуляції. Втім, "клішні" розкриваються лише коли робот добирається до мети - по організму він подорожує у вигляді гладкого кульки. Сам процес руху забезпечується завдяки магнітному іспульсу. Конструкція робота містить частинки нікелю, лікарі впливають на них за допомогою магнітів, задаючи напрямок руху зонда.

Нанороботи дешеві у виробництві, легко управляються і абсолютно нешкідливі для організму, констатує Девід Герсіас, який очолює проект в університеті Джона Хопкінса. За його словами, вони можуть стати чудовою альтернативою традиційним хірургічним інструментам. Але найбільшим їх перевагою є можливість проводити діагностику організму шляхом узяття клітинних проб без хірургічних розрізів.

НЕ іржавий: НАНОЧАСТИНКИ вбережуть МЕТАЛ ВІД ВОЛОГИ

Компанія Battelle, один з найбільших партнерів Міністерства енергетики США, оголосила про створення "розумного" покриття, яке допоможе запобігати іржавіння металів. Покриття само розпізнає місця, в яких метал почав іржавіти, на самих ранніх стадіях, коли процес неможливо помітити неозброєним оком.

Інтелектуальним це покриття роблять нанотехнології. Співробітники лабораторії компанії розробили наноматеріали, які взаємодіють з корозією - вступаючи в реакцію з іржею, вони починають флюоресцировать. Досліди поки проводилися тільки з алюмінієм, проте розробники запевняють, що хімічний склад покриття в майбутньому може бути адаптований практично до будь-якого виду металу.

Актуальність винаходи в США ні у кого не викликала питань. Тільки по оцінка Міністерства оборони США, корозія обладнання, підконтрольного цьому відомству, щорічно обходиться в $ 10 млрд. Якщо покриття, розроблене Battelle, отримає широке застосування і дозволить відновлювати металеві конструкції ще до того, як корозія стане видимою неозброєним оком, економія буде колосальною.

А німецькі вчені з інституту Фраунгофера розробили технологічну лінію, яка дозволить друкувати неорганічні електронні компоненти за тим же принципом, за яким працюють офісні принтери. За словами керівника проекту Міхаеля Янка, в основі технології лежать чорнило з наночастинок.

Сьогодні для виробництва мікросхем повсюдно використовується фотолітографія - на підготовлену поверхню проводиться осадження матеріалів, які потім піддаються впливу світла через маску-шаблон, завдяки малюнку якої вдається засвітити лише необхідні ділянки схеми. При цьому велика частина загрожених матеріалів не використовується і після цього знищується шляхом травлення. З огляду на в яких кількостях сучасна промисловість виробляє електронні компоненти для різних видів комп'ютерної і побутової техніки, методика, яка дозволила б наносити матеріал тільки на ділянки, які безпосередньо формують малюнок схеми, могла б привести до багатомільярдної економії в світовому масштабі.

Янк каже, що компоненти вироблені за новою технологією обійдуться приблизно вдвічі дешевше тих, які виробляються сьогодні за звичайною технологією з використанням кремнієвих матеріалів.

ЗАБУДЕМО ПРО НАФТУ І газі

Можливість практично нескінченного відтворення будь-якої конструкції за наявності сировини і деякої кількості енергії - вельми невеликого, як запевняють вчені, - робить нанотехнології універсальною технологією майбутнього. ККД отримання електроенергії з сонячного світла, наприклад, в разі застосування нанотехнологій може досягати 90% проти 20% у застосовуваних сьогодні сонячних панелей. Це не тільки вирішує проблему енергозабезпечення самих нанороботів, але і відкриває широкі перспективи для вирішення енергетичних проблем людства.

Можливість створення конструкцій на нанорівні змінить машинобудівну індустрію. Вірніше, поховає її - відпаде необхідність в проміжних машинах, які необхідні для створення інших машин. Їх замінять універсальні наноконструктори, здатні створити будь-який пристрій на рівні атомів і молекул.

Нанотехнології можуть забезпечити прорив в освоєнні космосу, зробивши можливим автоматичне будівництво і самосборку орбітальних станцій і роботів для дослідження інших планет. Енергію нанороботи будуть черпати з сонця, а сировину для роботи будуть брати в навколишньому середовищі.

Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram