Untitled Document

Слово "нанотехнология" слышал каждый, кто читает научно-популярные статьи. Но что реально стоит за этим понятием? Каждая научная лаборатория, занимающаяся исследованиями в этой области, могла бы дать свое собственное определение - столь широк фронт исследований в этой области. Однако, канонизированное определение все же существует: его выработали те, кто заведует раздачей субсидий на исследования. Кстати говоря, в микромир вкачиваются астрономические денежные суммы: в 2001 бюджетном году в рамках американской Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ), провозглашенной еще Биллом Клинтоном, на соответствующие исследования было затрачено 422 миллиона долларов.

Согласно определению Михаила Роко, поставленного правительством США надзирать за осуществлением ННИ, к нано-технологии относятся разработки, в которых используются материалы и системы, отвечающие трем условиям:

Нанотехнологии первой категории предполагают первоначальное создание МЭМСов - микроэлектромеханических систем, способных к самовоспроизводству в уменьшенных масштабах. По замыслу, для запуска всего процесса достаточно создать одну самовоспроизводящуюся МЭМ-систему, запрограммированную на производство двух себе подобных систем в масштабе один к двум, то есть в два раза меньше ее самой. Новое поколение МЭМСов создаст уже четыре системы в четыре раза меньше первоначальной и так далее. Таким образом, через тысячу поколений на свет должна появиться уже не микро-, а наносистема, которая будет меньше первоначальной в два-в-тысячной-степени раз.

Практические работы по созданию вышеописанных МЭМСов ведутся в техасской компании Зайвекс (Zyvex), которую учредил мультимиллионер Джеймс фон Эр Второй, сделавший состояние на производстве программного обеспечения. В настоящее время эта компания активно разрабатывает "ассамблеры" - микроэлектромеханические роботы-сборщики. Эти ассамблеры представляют собой произведенные литографическим способом микроскопические захваты-манипуляторы, которые могут собирать более мелкие производственные системы, используя для этого наборы деталей, литографически "вырезанные" на кремниевых ваферах - тончайших срезах полупроводниковых кристаллов (вспомните детские модели самолетов, которые нужно склеивать из пластмассовых деталей, выламываемых из общей рамки). По утверждению фон Эра Второго, нано-ассамблеры появятся через 10-20 лет.

К нанотехнологиям второй категории - по восходящей линии - относится сборка наносистем из отдельных атомов. Отецом-теоретиком этого метода общепризнанно считается футуролог Эрик Дрекслер, автор книги "Машины Созидания: грядущая эра нанотехнологии" (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. K.E. Drexler. Fourth State, 1990), в которой он предсказывает появление в будущем дистанционно управляемых нано-роботов (или "наноботов"), способных манипулировать отдельными атомами и таким образом - создавать любое вещество, любые материалы и любые предметы за считаные секунды практически без затрат, буквально из воздуха. Чтобы такие роботы были эффективными, их должно быть очень много: если допустить, что нанобот будет манипулировать миллиардом атомов в секунду, для создания из отдельных атомов 30 граммов заданного вещества одиночному наноботу понадобится 19 миллионов лет. С другой стороны, при тех же темпах работы самовоспроизводящийся нанобот сможет за одну минуту создать миллиард миллиардов себе подобных. Столь огромная армия наноботов будет в состоянии создать за одну секунду 50 килограммов заданного вещества!

Футурологи-оптимисты обычно рисуют радужные картины применения нанотехники: небоскребы, возникающие за несколько часов из придорожной пыли; одежда, меняющаяся на человеке в зависимости от погоды; нано-батисферы, бороздящие кровеносные сосуды в поисках пораженных болезнью клеток и т.д. Футурологи-пессимисты мрачно предупреждают о том, что с учетом поистине бешеных темпов размножения наноботы могут очень скоро мутировать и превратиться из послушных слуг человека в его неуловимых врагов, или же просто потерять интерес ко всему, кроме самовоспроизводства, и тогда вся планета очень скоро покроется толстым слоем всепожирающей серой массы, под которым будет погребена человеческая цивилизация... вернее, то, что от нее останется после нано-переработки.

Однако, и физики, и химики, и биологи скептически относятся как к радужным прогнозам развития нано-технологии, так и к устрашающим, по той простой причине, что в пределах мезо-шкалы (на промежутке от атомов до молекул, то есть в поле действия нано-технологий) действуют законы, отличные как от квантовой механики, так и от классической.

Один из первых законов "мезо-физики" был постулирован в 1985 году молодым профессором МГУ Константином Лихаревым в сотрудничестве с аспирантом Александром Зориным и студентом Дмитрием Авериным. Они предсказали, что ученые смогут контролировать прохождение единичного электрона через так называемый "кулоновый островок" - проводник, слабо соединенный с остальной наноцепью. На основе этой идеи был создан одноэлектронный транзистор, позволяющий достичь рекордной плотности упаковки заряда и полностью контролировать потоки в наноцепях. Недостаток этого транзистора - низкое быстродействие. В настоящее время Лихарев, работающий в университете Стоуни Брук, штат Нью-Йорк, пытается преодолеть этот недостаток путем соединения одноэлектронных транзисторов в нейросети. Как известно, мозговые клетки тоже довольно медленные, однако позволяют обрабатывать сложнейшую информацию. Искусственные нейросети представляют собой упорядоченное соединение одноэлектронных транзисторов, обменивающихся между собой излишними электронами. По принципу действия они напоминают биологические нейросистемы, но на несколько порядков меньше их по размерам.

Как бы то ни было, изучение законов мезо-шкалы еще только начинается, и никто не берется предсказать, как будет теоретически выглядеть мезо-мироздание, когда будут хотя бы в общих чертах сформулированы его научные основы. Пока что ясно только одно: если уменьшить наши обычные механизмы до нано-размеров, они не будут работать. Причина в этом простая: при значительном уменьшении размеров тела резко изменяется соотношение его поверхности и объема (разумеется, в пользу поверхности). Представьте, что вы уменьшили обычный автомобиль до такой степени, что он состоит из нескольких тысяч атомов - его объем при этом будет приближаться к нулю, доминантой его взаимодействия со средой станет его поверхность, и таким образом его поведение будет определяться преимущественно трением поверхностного слоя. В результате нано-автомобиль не сможет сдвинуться с места, потому что прочно прилипнет к нано-дороге.

- Проблема обратной связи. Даже если представить себе, что будут сконструированы приборы, позволяющие обмениваться информацией между наносистемами и макросистемами (между наноботами и человеком), встает теоретический вопрос о достоверности такой информации. Речь идет о передаче информации от системы, на которую могут действовать законы квантовой неопределенности, а значит и получаемая информация теоретически может быть либо неопределенной, либо искаженной в результате действия "эффекта наблюдения", когда событие находится в связи с воздействием наблюдателя на квантовую систему.

- Проблема окружающей среды. Мобильная нано-система будет испытывать на себе воздействие Броуновского движения - принимать на себя толчки хаотически перемещающихся молекул. Ни о каком направленном движении при этом не может идти речи: нанобот будет постоянно сбиваться с заданного курса под ударами частиц, сопоставимых с ним по размерам и массе.

Несмотря на все перечисленные проблемы, нано-ассамблер УЖЕ существуют, но это не наносистема, а атомно-силовой микроскоп: при помощи иглы (наконечника) этого устройства физикам удается до определенной степени манипулировать молекулами и даже строить монокристаллы из так называемых "искусственных атомов" - квантовых точек [для неверующих: см. Phys. Rev. B., 2000, 62(3), pp.1540-1543]. Квантовые точки создаются на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов и представляют собой большие молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов. Дискретный характер энергетического спектра носителей заряда в полупроводниковых квантовых точках позволяет рассматривать их как искусственные атомы. В отличие от настоящих атомов, которые все строго одинаковы, у квантовых точек существует неизбежный разброс по форме и размерам, так что "периодическая система" искусственных атомов (аналог таблицы Менделеева) имеет размытые столбцы и строчки.

игла атомно-силового микроскопа

Образно говоря, квантовая точка - это смирительная рубашка, ограничивающая движение электронов по всем трем пространственным направлениям. В этих условиях электроны приобретают свойства стоячей волны де Бройля, то есть их состояние описывается функциями вероятностных плотностей. Их можно представить в виде облаков электрического заряда странной формы. Необычность формы этих облаков объясняется тем, что у электронов сохраняется отрицательный заряд, и они отталкиваются друг от друга настолько далеко, как им позволяет их энергия. Точно таким же образом электроны ведут себя и в атомах, где они удерживаются на орбитах, определяющих их положение относительно положительно заряженного ядра. Именно эти орбиты вместе с наполняющими их электронами детерминируют химические свойства атома и в конечном счете - свойства вещества, состоящего из множества подобных атомов.

квантовая точка

Таким образом, квантовая точка - это искусственный атом, лишенный ядра. Какой именно "натуральный" атом представлен искусственным - определяется числом избыточных электронов, заключенных в квантовой точке. И самое замечательное заключается здесь в том, что, несмотря на отсутствие ядра, искусственные атомы реагируют друг на друга точно так же, как и натуральные, и вступают в те же связи. Проще говоря, вещество, созданное из искусственных атомов, будь то кислород или ртуть, теоретически не будет отличаться по своим свойствам от природного.

Но и это еще не все. Электроны можно ограничивать в их движении электростатическим путем, как бы используя вместо кремниевой "смирительной рубашки" электрическую изгородь. Варьируя напряжение, подаваемое на эту изгородь, мы в принципе можем регулировать число электронов, попадающих внутрь "охраняемой зоны" и выходящих из нее. По-просту говоря, достаточно будет слегка передвинуть рычажок реостата, чтобы превратить искусственный свинец в искусственное серебро или золото - и обратно. Мечта средневековых алхимиков воплощается в жизнь в 21-м веке!

Весьма вероятно, в ближайшем будущем появится программируемая материя, меняющая свои свойства по воле человека столь быстро, как сейчас меняются цвета на экране телевизора. Эта искусственная материя далеко превзойдет по своим свойствам существующую натуральную, поскольку не будет ограничена максимально возможным числом электронов в атоме. В ядрах натуральных атомов максимальное число протонов достигает 92 (атомарное число Урана) - больше не позволяют ядерные силы. Поскольку электроны попарно связаны с протонами, максимальное число стабильных электронов в атоме также равно 92. Атомы, содержащие большее число электронов, подвержены распаду - состоящее из них вещество радиоактивно и годится разве что только для бомб и электростанций.

В искусственных атомах нет протонов, поэтому число электронов в них может быть сколь угодно большим. Представьте себе периодическую таблицу Менделеева, состоящую из сотен тысяч элементов! Трудно даже вообразить всю ту гамму свойств, которыми будут обладать новые вещества. Но воображение - это вотчина фантастов. Ученые, занимающиеся разработкой программируемой материи, предпочитают скромно оценивать свои планы. "Скромно" - это значит, что первый "чип" программируемой материи будет создан через 10-20 лет, и еще 20 лет уйдет на получение вещества из искусственных атомов.

Что ожидает человека в будущем, если все нынешние разработки в области нанотехнологии воплотятся в жизнь? Фантасты рисуют грандиозные картины мира, в котором человек будет повелевать материей простым взмахом техно-подобия волшебной палочки. Но если подойти к этому вопросу с философско-исторической точки зрения, наносистемы давно уже существуют в природе. Элементарная живая клетка представляет собой совершенный микромеханизм, сформировавшийся естественным путем за долгие годы эволюции. Сможет ли искусственная нанотехнология превзойти природную - открытый вопрос, который будет решен в будущем. Как утверждают биологи, самое большее, что сможет сделать нано-технология - это создать подобие простейшей живой клетки. Физики считают иначе.