Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров.
Альманах "Понимая Нанотехнологию"Understanding Nanotechnology отмечает, что несмотря на то, что термин "нанотехнология" стал весьма популярным в последние годы, даже люди, выступавшие в поддержку развития этой отрасли науки и техники, часто весьма приблизительно представляют о чем идет речь. Показательно, что в академическом словаре американского английского Webster Dictionary выпуска 1966 года слово "нанотехнология" не значится, несмотря на то, что исследования в наносфере к тому времени проводились достаточно давно.
США впервые выделили значительные бюджетные средства на развитие нанотехнологий при президенте Билле КлинтонеBill Clinton. В анонсирующей этот факт речи (была произнесена в 2000 году) Клинтон объяснил, что нанотехнологии позволяют создать из куска вещества, размером с кусочек сахара, материал, который в десять раз крепче стали. Это определение ныне воспринимается, как вульгарное и донельзя примитивное, однако нет гарантии, что и нынешние определения нанотехнологии в обозримом будущем не устареют и не будут выглядеть кошмарным анахронизмом. Вероятно наибольшие шансы на выживание имеет определение, данное Ритой КолвеллRita Colwell, директором Национального Фонда Науки СШАNational Science Foundation: "Нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в иной мир".
Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают $9 млрд. в год. На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.
Нанотехнологии принято делить на три типа. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике - пример "инкрементных" нанотехнологий. "Эволюционные" нанотехнологии представлены наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии. "Радикальные" нанотехнологии пока что не встречаются, их можно увидеть только в фантастических триллерах. Стоит также ожидать сближения этих трех технологий.
Однако переход от производства в лаборатории к массовому производству чреват значительными проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. В настоящее время, наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. В 2002 году на Кубке ДэвисаDavis Cup были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий.
В общей сложности американская промышленность и индустрия других развитых стран сейчас применяют нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $464 млн. в 2001 году до $1 млрд. в 2005-м. По данным Исследовательской Службы Конгресса СШАCongressional Research Service, в 2006 году США планируют выделить на эти цели $1.1 млрд. Еще $2 млрд. в 2005 году потратили на те же цели американские корпорации (нанолаборатории создали такие гиганты бизнеса, как HP, NEC и IBM, университеты и власти отдельных штатов).
Безоблачное нанозавтра
В последние годы опубликовано множество оптимистических прогнозов о способах применения нанотехнологий. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в микроэлектронике, оптоэлектронике и медицине. Поэтому нанотехнологии обладают поистине гигантским потенциалом.
Известный ученый Джей Сторрс ХоллJ. Storrs Hall, автор научно-популярной книги "Нанобудущее"Nanofuture: What"s Next For Nanotechnology, утверждает, что нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего - электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.
Физик Тед СэрджентTed Sargent, автор книги "Танец Молекул"The Dance of Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives, пишет, что существует проект создания наносистемы для введения медикаментов, изменяющих определенные биологические функции внутри живых организмов, к примеру, для развития или укрепления иммунитета против конкретных болезнетворных организмов. Рэй КурцвейлRay Kurzweil, автор книги "Фантастическое Путешествие"Fantatic Voyage: Live Long Enough to Live Ever, прогнозирует, что возможно создание нанороботов-врачей, которые способны "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение.
Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.
Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Джош ВолфеJosh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете."
Краткая наноистория
Историк науки Ричард БукерRichard D. Booker отмечает, что историю нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам - во-первых, "размытости" самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются "технологиями" в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом.
Чарльз ПулCharles P. Poole, автор книги "Введение в Нанотехнологию"Introduction to Nanotechnology, приводит показательный пример: в Британском Музее хранится, так называемый "Кубок Ликурга" (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами - он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет - от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году Ирландский химик Роберт БойлRobert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из "корпускулов" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.
Вероятно впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем ИстмэномGeorge Eastmen (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1968 год. Альфред ЧоAlfred Cho и Джон АртурJohn Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает "гном", им обозначают биллионные части целого.
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
1985 год. Американские физики Роберт КерлRobert Curl, Хэрольд КротоHarold Kroto и Ричард СмэйлиRichard Smalley создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик ДрекслерEric Dreхsler опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 год. Дональд ЭйглерDonald Eigler, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1993 год. В США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда ФейнаманаRichard P. Feynman, который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики - ныне это одна из областей нанонауки.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс ТурJames Tour и Марк РидMark Reed определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области НанотехнологииNational Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 - Марк РатнерMark A. Ratner, автор книги "Нанотехнологии: Введение в Новую Большую Идею"Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".
Призрачная угроза
История неопровержимо свидетельствует о том, что едва ли все полезные изобретения и научно-технические разработки не только способствуют развитию экономики, но также ставят человечество перед новыми и подчас труднопредсказуемыми опасностями.
В 2004 году банк Credit Suisse First Boston опубликовал аналитический доклад о будущем нанотехнологий. В нем утверждается, что нанотехнология является классической "технологией общего назначения". Другие технологии общего назначения - паровые двигатели, электричество и железные дороги - становились основой для промышленных революций. Нововведения такого рода обычно начинают свое развитие, как очень грубые технологии с ограниченными вариантами использования, но затем быстро распространяется на другие сферы жизни. Это приводит к началу "процесса креативной деструкции" (процесс, в котором новая технология или продукт предоставляют новые возможности и лучшие решения, результатом чего является полная замена предшествующей технологии или продукта. Так электричество заменило пар, а электронная почта - телеграф). В ближайшем будущем креативная деструкция не только будет продолжаться, но и ускорится, и нанотехнология будет ее ядром. Вывод: "Большинство компаний, котирующихся в нынешнем индексе промышленных предприятий Dow Jones Industrial скорее всего через двадцать лет не будут там находиться".
Эрик ДрекслерEric Drexler, создатель и глава исследовательсеого Foresight Institute, автор книги "Механизмы Творения"Engines of Creation, подчеркивает, что сегодня покупатель промышленного продукта платит за его проектирование, материалы, труд рабочих, стоимость производства, транспортировку, хранение и организацию продаж. Если нанофабрики смогут производить большой диапазон продукции в любое время и в любом месте, большая часть этих операций сделается ненужными. Поэтому неизвестно, как нанопроизводство повлияет на цены и на уровень безработцы. Гибкость нанотехнологического производства и возможность выпуска радикально лучшей продукции предполагает, что обычные товары не смогут конкурировать с продукцией нанофабрик во многих областях. Если технология нанофабрик будет принадлежать или контролироваться какой-либо одной организацией, это может привести к "новой монополизации".
Исследовательский Центр За Ответственность в Сфере НанотехнологииCenter for Responsible Nanotechnology предсказывает, что по нынешним стандартам, продукты нанотехнологий будут исключительно ценными. Монополия позволит владельцам технологии установить высокие цены на всю продукцию для получения большой прибыли. Однако, это означает, что миллионы нуждающихся людей не получат доступ к жизненно необходимым дешевым технологиям. Со временем конкуренция снизит цены, но на раннем этапе появление монополии весьма вероятно. Тем более, что "бедные" страны мира не обладают возможностями для финансирований наноисследований. Также маловероятно, что нерегулируемому коммерческому рынку нанотехнологий будет позволено существовать.
Есть и иные аспекты проблемы. Террористы и криминалитет, получившие доступ к нанотехнологиям, могут нанести обществу существенный урон. Химическое и биологическое оружие будет более опасным, а скрыть его будет значительно проще. Станет возможным создание новых типов оружия для убийства на расстоянии, которые будет очень тяжело обнаружить или нейтрализовать. Поимка преступника после совершения им подобного преступления также усложнится. С другой стороны, новые возможности приобретет государство. Теоретически возможно создать очень маленькие недорогие суперкомпьютеры, на которых могут быть запущены незаметные программы постоянного наблюдения за населением. Огромное количество устройств наблюдения может быть изготовлено при достаточно скромных затратах. При возможности построить миллиарды сложных устройств по общей цене в несколько долларов, любая автоматизированная технология, которая может быть применена к одному человеку, может быть применена и ко всем. Любой сценарий физического или психологического контроля, использующий предельные возможности нанотехнологии будет выглядеть научно-фантастическим и неправдоподобным.
Новые вещи и изменения в привычном укладе жизни могут привести к расшатыванию основ общества. Например, медицинские устройства, которые позволят относительно легко модифицировать структуру мозга или осуществлять стимуляцию определенных его отделов для получения эффектов, имитирующих любые формы психической активности, могут стать основой "нанотехнологической наркомании".
Нанотехнологии имеют и блестящее военное будущее. Ныне военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия "невидимости", энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета или изменять ее цвет), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. Еще в 1995 году Дэвид ДжеримайяDavid E. Jeremiah, бывший член Объединенного Комитета Начальников ШтабовJoint Chiefs if Staff заявил: "Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, в большей степени, чем даже ядерное оружие".
Возможно представить устройство размером с мельчайшее насекомое (около 200 микрон), способное находить незащищенных людей и впрыскивать им яды. Летальная доза токсина ботулизма составляет 100 нанограмм или около 1/100 объема всего устройства. 50 миллиардов единиц подобного оружия - количество, достаточное чтобы убить каждого человека на Земле - может храниться в чемодане. Огнестрельное оружие станет намного более мощным - а пули самонаводящимися. Аэрокосмическая техника может быть намного легче и лучше, изготовляться с минимумом или вообще без металла, из-за чего обнаруживать ее с помощью радаров окажется намного сложнее. Встроенные компьютеры позволят активировать на расстоянии любой вид оружия, а более компактные источники энергии позволят сильно улучшить возможности боевых роботов.
Аналитик Том МаккартиTom McCarthy, автор статьи "Молекулярная Нанотехнология и Мировая Система"Molecular Nanotechnology and the World System, утверждает, что нанотехнологии будут способствовать снижению уровня экономического влияния отдельных государств. В ходе военных действий, армии будут предпочитать уничтожать людей, а не военную технику или промышленные предприятия. Нанотехнологии позволят организовать промышленное производство даже в регионах, где нет минеральных ресурсов. Они сделают небольшие группы вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государств.
Оценка риска
США и другие страны пытаются оценить риск применения и совершенствования нанотехнологий. Однако в США ассигнования на анализ потенциальных угроз применения наноматериалов пока что очень невелики.
Согласно подсчетам экспертов организации Project on Emerging Nanotechnologies, их общий объем составляет всего лишь $39 млн. - то есть, лишь 4% всех ассигнований на нанотехнологии, идущих из федерального казначейства. Количество проектов, на которые отпускаются эти средства, также довольно скромно - примерно 160.
На слушаниях в Комитете по Науке Палаты Представителей Конгресса СШАHouse Science Committee представители экологических движений и промышленных корпораций в один голос заявили, что расходы на выяснение экологических и медицинских аспектов применения наноматериалов должны составлять от 10-ти до 20-ти процентов всех государственных затрат на нанотехнологии.
Подобное положение дел уже стало причиной множества тревожных предупреждений со стороны специалистов. Наночастицы легко проникают в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. Сейчас уже не подлежит сомнению, что некоторые нанообъекты могут оказывать токсичное действие на клетки различных тканей. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считают одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего.
Ситуация осложняется тем, что многие наноструктуры производятся не одним, а несколькими способами. Это обстоятельство увеличивает ассортимент рисков, с которыми могут сталкиваться или уже сталкиваются работники нанотехнологической индустрии. С другой стороны, оно дает основание предположить, что внешне одни и те же нанопродукты, изготовленные на основе различных технологий, будут оказывать неодинаковое воздействие на человека и его среду обитания.
В декабре 2004 года Совет по Научной ПолитикеScience Policy Council Агентства по Охране Окружающей Среды СШАEnvironment Protection Agency создал рабочую группу экспертов, вменив ей в обязанность подготовку Белой Книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ровно через год черновой вариант этого документа был опубликован.
Авторы проекта Белой Книги начинают с дефиниции объекта своего анализа. Они определяют нанотехнологии как "исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале дистанций". Это определение достаточно широко, чтобы включить не только уже существующие материалы и изделия, но и те системы, которые появятся лишь через десять-двадцать лет.
Однако до настоящего времени сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются довольно скудными. Авторы проекта Белой Книги подчеркивают необходимость как можно скорее заполнить эти информационные пробелы. Они подчеркивают, что серьезное изучение поведения наночастиц в окружающей среде началось лишь недавно. Известно, например, что наночастицы способны накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, однако у науки пока что не хватает данных для точного моделирования таких процессов. Наночастицы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы пока что не слишком хорошо изучены. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, нежели более крупные объекты того же состава, и поэтому способны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам.
Еще одна мало исследованная область - последствия контактов наночастиц с живыми клетками и тканями. Не подлежит сомнению, что многие наноматериалы обладают токсичным действием. Например, вдыхание наночастиц полистирола не только вызывает воспаление легочной ткани, но также провоцирует тромбоз кровеносных сосудов. Есть сведения, что углеродные наночастицы могут вызывать расстройства сердечной деятельности и подавлять активность иммунной системы. Опыты на аквариумных рыбах и собаках показали, что фуллерены, многоатомные шаровидные молекулы углерода поперечником в несколько нанометров, могут разрушать ткани мозга. Проникновение наночастиц в биосферу чревато многими последствиями, прогнозировать которые пока не представляется возможным из-за недостатка информации.
Составители Белой Книги настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с наночастичным загрязнением среды обитания. В частности, необходимо выяснить, какими путями осуществляется биодеградация наночастиц и как она влияет на экологические цепи в живой природе.
К схожим выводам пришел и Клэренс ДэвисJ. Clarens Davies, научный сотрудник исследовательского Центра имени Вудро ВильсонаWoodrow Wilson Center, автор доклада "Управляя Эффектом Нанотехнологий"Managing the Effect of Nanotechnology. Он отмечает, что нанотехнологии являются "новой реальностью", которая пока не поддается государственному регулированию. Крайне сложно использовать для этой цели действующие законы. Поэтому необходимо срочно создавать принципиально новое законодательство, новые механизмы и институты регулирования (в том числе и международные) - иначе джинн может вырваться из бутылки и последствия этого могут быть самыми неприятными.
В наше безумное время, когда человека отовсюду окружают современные технологии, когда с каждым днем всё больше совершенствуются технологии, а мы не успеваем следить за их новинками, вообще не представляем жизнь без них, стало появляться новое, часто звучащее на слуху, направление «нанотехнология». Что же такое нанотехнология? Чтобы в этом разобраться я провел небольшой опрос среди знакомых и друзей, что же они знают о нанотехнологиях:
25% ответили, что не знают;
65% ответили, что их применяют в компьютерах;
10% - что в военной промышленности.
Цель моей работы рассказать, что могут дать нанотехнологии людям и конкретно: как они могут быть использованы в моей будущей профессий. Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь на абсолютно новый уровень.
Так что же такое нанотехнологии? Разберем само слово «нано» - это переход от микро к нано, «нано - это наименьшая часть микро», или 1нм = 10-9 м.
В наше время мы уже давно сталкиваемся с нанотехнологиями. Возьмем первый компьютер, который занимал целый спортзал, или современный сотовый телефон и сравним их возможности, так же уже давно знакомые нам CD диски производятся с применением нанотехнологий.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. В настоящее время нанотехнологии развиваются в разных направлениях.
Медицина. Создаются и уже созданы «молекулярные роботы-врачи», которые внедряются вовнутрь человека, устраняют или предотвращают как бы из нутрии, возникающие заболевания. Так же это позволит доносить организму те вещества, которые ему надо, они смогут восстанавливать поврежденные ткани.
Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Сельское хозяйство. Мы сможем заменять природных производителей пищи (растения, животных) аналогичными компонентами из молекул роботов, они будут воспроизводить те же химические процессы, что в нашем организме
Биология. Уже стало возможно внедрять в живые организмы наноэлементы, что позволит восстанавливать вымершие виды животных, даже создавать новые.
Экология. Внедрение нанотехнологий позволит устранить вредное влияние деятельности человека на окружающую среду. Это возможно с помощью роботов санитаров, которые превращают отходы в исходное сырье, что позволит перейти на безотходное производство.
Космос. Нанотехнологии позволят быстрому и лучшему освоению космоса. С помощью нанотехнологий станет возможным создать огромную армию нанороботов, и они смогут подготовить ближайшие планеты к проживанию на них людей.
Кибернетика. Уже происходит переход рабочей системы микросхем к уменьшению в размерах до величины белковой молекулы, что позволит увеличить в себе объем памяти от байта к терабайтам.
Основные этапы в развитии нанотехнологии.
Что такое нанотехногии мы уже разобрались. Давайте же узнаем, как давно они существуют. Рассмотрим основные этапы развития нанотехнологий.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей лекции «Полно игрушек на полу комнаты» высказал мысль, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной
Инициативы в Области нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. СМИ назвали нанотехнологии "прорывом года" (Science) и "новой многообещающей идеей" (Forbes).
Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".
Электронные элементы на основе нанотехнологий
Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли новые типы транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов.
Так же было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность.
Электроника на нанотрубках.
Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.
Квантовая электроника.
Так же удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Создан миниатюрный механический выключатель, подобный тем,
7 которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случае размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.
Солнечные батареи.
Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.
Батарейки и аккумуляторы.
Создана батарея, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора в 600 миллиампер-часов заполняется через несколько минут.
Технологическое машиностроение (на примере автомобильной промышленности).
Нанотехнологии открыли целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован.
Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния
В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.
Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.
В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.
Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем: при попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные ионы. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO ), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.
Кроме покрытий для стёкол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности. Так же созданы самоочищающихся покрытия на основе нанопорошков, прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологий. Новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак
По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.
Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает экологическим требованиям.
В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигатели, трансмиссия.
При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Его использование позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза; на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер; за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой снижаются вибрации и шум.
В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.
Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля: с помощью нанотехнологий позволяют объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.
Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях они находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т. д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также представляют интерес для
10 создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров АВS может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, используется в системах GPS-навигации.
В результате эволюции происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшаются константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.
Также наиболее перспективными являются углеродные нанотрубки. Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для машиностроения.
Углеродные нанотрубки (УНТ) уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, пластиковые бамперы и дверные панели автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.
Практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая пресловутый холодильник с доступом в интернет. Микроробототехникой занимается множество лабораторий по всему миру. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно, эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, как мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Возможности нанотехнологий поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Я думаю, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться от них. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Подводя итог своей работы, я бы хотел заметить, что нанотехнологии незаметно входят в нашу жизнь - хотим мы этого или нет. Я считаю, что нанотехнологии в моей будущей профессии дадут большое развитие, облегчат работу и повысят производительность. Произойдет переход от большого громоздкого оборудования, к его уменьшению, это облегчит его обслуживание и продлит работоспособность. Я считаю, что нанотехнологии, как и все новое в нашей жизни, делается для того, чтобы облегчить и улучшить жизнь человечества.
Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
История
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.
Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».
На что способны нанотехнологии?
Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:
Медицина
Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.
ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).
В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.
Строительство
Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.
Энергетика
Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).
Машиностроение
Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.
Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.
- ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
- Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
- Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.
10 нанотехнологий с удивительным потенциалом
Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.
Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.
Электропроводимый жидкий металл
За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».
«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.
Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.
Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.
Нанопластыри
Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.
Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.
Нанофильтр для воды
При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.
Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.
Очиститель воздуха для подводных лодок
Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.
Нанопроводники
Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.
Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.
Нанотехнологическое зарядное устройство
Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.
Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.
Искусственная сетчатка
Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.
Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.
Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.
Светящаяся одежда
Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.
Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.
Наноиглы для восстановления внутренних органов
Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.
Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.
Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.
Трехмерная химическая печать
Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.
Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.
Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.
Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»
Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии
Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.
В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».
В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.
Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.
Нанотехнологии в искусстве
Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.
В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.
В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».
Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).
Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.
В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.
Нанотехнологии для меня -- это прежде всего а) самые разные датчики и б) компьютеры с малым энергопотреблением и большой вычислительной мощностью.
В течение буквально пяти лет произойдет огромный прогресс в датчиках всех органов чувств, причем в мобильном варианте. Военные технологии очень быстро окажутся у многих и многих людей -- в камерафонах, теленетбуках и прочих странных девайсах. Продвинутые оптические матрицы, продвинутая оптика, продвинутая механика для того, чтобы все это мгновенно фокусировалось и отслеживало объект съемки, огромная вычислительная мощность для обработки видео, бездонная память, которая проглотит любой видеопоток и бережно его сохранит, распределенные торрент-системы, которые передадут все это видео интересующимся. Ольфакторные чипы, которые унюхают все, что интересно их владельцу, и которыми будет оборудован каждый камерафон, букридер и т.д.. Вездесущая GPS и Galileo навигация. Повсеместный интернет, "постоянный коннект". Микрофоны, которые слышат с огромных расстояний. Четкие снимки через любое марево. Я постоянно пишу о подобных технологических новинках у себя в журнале (и сейчас даже ссылок не привожу, все это было). И все это -- нанотехнологии.
Далее empowering (превращение каждого отдельного ламера в крутого профи). Empowering -- это когда у меня сейчас на поясе болтается 200г. камера, готовая снимать HD. А через пять лет такое будет практически у каждого человека, а у особо заинтересованных будет третье поколение камер формата Micro Four Thirds. Почему важно, чтобы это было HD? Потому как это -- emotional broad band. C другой стороны, редко какие шпионы обладали такой аппаратурой, какой сегодня обладает любой подросток, вооруженный сотовым телефоном. Экстраполируйте это еще лет на пять. Все граждане будут экипированы, как журналисты, желающие провести крутое журналистское расследование. Анализ ДНК лет через пять-десять уже будет не проблема. Анализируй родословную своих собачек, птичек, а также родственников и проходящих мимо политиков. Все это нанотехнологии.
Ну и что? Сейчас в России в газетах свободно печатают информацию про политиков, из-за которой в приличных странах эти политики перестают быть таковыми. А в России не перестают. Да и не вся политика публична.
Мой первый пойнт: empowering приводит к тому, что вся политика будет публична, даже если государственное раскрытие информации стремится к нулю. Люди любопытны, и склонны информацией делиться. Нанотехнологии будут стремительно снижать стоимость действий по добыче интересной информации.
Как ни странно, я считаю, что empowering (когда один человек при помощи технологий начинает работать с такой же производительностью, как бригада) проходит сейчас со много большей скоростью, чем помощь со стороны технологий различным группам по интересам. В том числе группам по политическим интересам. Все эти "социальные сети" находятся в самом начале своего пути, ибо социальные сети должны опираться на технологии emotional broadband -- эмоциональной широкополосности. Видео, аудио, трехмерность. В социальных сетях виртуальные миры еще никак себя не показали. В виртуальные миры пока еще нельзя попасть в собственном образе, нужны аватары. Нельзя провести дистантный семейный совет по той же технологии Cisco Telepresence, по которой проходит совет директоров какой-нибудь крупной компании (напомню, что продает Cisco в этой технологии: натуральную величину людей, контакт глазами, голос без задержек и из правильного направления, возможность сохранить стандартное поведение в комнате во время встречи).
Технологии вебинаров угрюмы, лаги губительны для нормальных обсуждений. В асинхронных сервисах социальных сетей нет пока поддержки организации (хотя бы в объеме issue tracking базовой версии Trac) -- никто никому ничего не может поручить, а затем проверить исполнение (я имею ввиду теорию коммуникативного действия Хабермаса). Но это нормально. Софт, как всегда отстает. Ибо аппаратура уже почти готова: камерам не требуется специального освещения, экраны делаются карманным прожектором из любой стены, интернет-трафик после некоторых неизбежных ограничений опять рванет в облака. Аппаратура эта через пять-десять лет будет стоить копейки, а софт так и вовсе будет бесплатным, как и сегодня.
А дальше возможны интересные сценарии типа тех, которые мы наблюдали в Индии во время ликвидации колониального режима. Только сценарии эти будут не страновых масштабов, а весьма локальных. Но в эпицентре этих сценариев мало никому не покажется, ибо это будут такие своеобразные суды Линча. Именно суды Линча: я отнюдь не утверждаю, что технологии дадут ход лучшим свойствам человечьей натуры. Механизм тут ровно такой же, как в знаменитом Манеки-неко, http://zhurnal.lib.ru/4/40_s_z/maneki.shtml , но каждое общество получит от этих технологий то, что оно заслуживает в меру своего варварства.
Хотя у дикарского общества будет много больше возможностей стать менее дикарским: новые технологии прежде всего -- информационные, они продвигают прежде всего образовательные процессы, в какой бы извращенной форме (обсуждение очень неприглядных ситуаций) эти образовательные процессы не проходили. Политика -- это прежде всего образование масс, причем конкурентными образовательными программами. Вот эту-то конкуренцию с самых неожиданных сторон новые технологии и обеспечат. Конкуренцию дикости и цивилизации в том числе. Но в диспутах выиграть может и цивилизация, равно как в силовом физическом столкновении обычно побеждает варвар.
Новые технологии вывернут на свет божий столько грязи, сколько человечество еще не видело. Мир пока еще не большая дважды деревня -- дважды, ибо кроме традиционного смысла "все всех знают" есть еще и неожиданный смысл -- огромное большинство жителей планеты все еще деревенские жители, даже если они уже успели переехать в какие-нибудь пригороды мегаполисов. Мир в эту дважды деревню только-только начинает превращаться. И хорошо, что новые технологии прежде всего являются технологиями образовательными. Но сначала у деревенских дикарей будет empowering для их дикарских замыслов ("дикарского блага") и средства для их дикарской организации в орды, а только потом эти же технологии превратят дикарей в цивилизованных людей, использующих свои способности для благих ("благо цивилизации") целей. Эти же технологии позволят цивилизованным людям обсудить, что именно является этим "благом цивилизации" -- и не прийти ни к какому единому мнению.
Но все начнется с превращения разведтехнологий в массовые. Взять в интернете подробную справочку про текущего докладчика на совещании, где принимаются важные (в том числе и политические) решения, могут еще не все люди. Через пять лет это будет инстинктивным действием. И часто после этого будут приниматься другие решения, "на основании разведданных", а не на основании предоставленной тщательно отфильтрованной информации. Информация хочет быть свободной, а на базе освободившейся информации много-много людей начнет принимать самые неожиданные решения.
Мир изменится, и изменится очень круто. Я не говорю, что мир изменится в лучшую сторону.Просто всё (в том числе и политика) будет происходить много быстрее и разнообразнее, а не лучше или хуже. А в основе этих изменений лежат нанотехнологии -- именно они позволяют получить дешевые асферические линзы, именно они позволяют Intel в эти дни демонстрировать новое поколение процессоров для мобильных телефонов, которые потребляют вдесятеро меньше энергии, именно эти нанотехнологии позволяют создать карманные проекторы высокой четкости и яркости, именно нанотехнологии позволяют иметь много часов видеозаписи во флешке размером с ноготь, именно нанотехнологии переведут связную инфраструктуру на оптоэлектронику, которая сейчас отрабатывается на дорогущих GRID-сетях. А дальше -- emotional broadband, через который к нам ворвется новая политика. Вы только представьте себе какие-нибудь студенческие волнения лет через пять, в которых каждый студент имеет мобильные устройства, о которых военные сейчас только мечтают. И никакое отключение интернета им грозить не будет, ибо mesh-сети тоже на подходе. И никакие "закладки" в процессорах, ибо открытый код для процессоров тоже уже появляется.
Ох, нахлебаемся. Впрочем, это верно для любого уровня технологий: прошлого, нынешнего, будущего. Ох, нахлебались, нахлебываемся, нахлебаемся.
Растения являются более уязвимыми для токсичных наночастиц, если их "родители" выращивались в загрязненной почве, согласно новому исследованию, опубликованному в NanoImpact. Результаты подчеркивают важность совершенствования и расширения исследований о воздействии наноматериалов на растения.
В другой работе, опубликованной в NanoImpact, ученые предупреждают, что наши знания о рисках для сельского хозяйства, связанные с использованием нанотехнологий и воздействием наноматериалов на растения, в частности, на продовольственные культуры, не являются достаточными и пришло время переосмыслить их.
Индустрия нанотехнологий продолжает расти быстрыми темпами. Она основана на использовании мельчайших частиц, размером в одну миллиардную долю метра, для самых разнообразных технологических применений - от солнцезащитного крема до батарей.
Наночастицы используются в тысячах коммерческих продуктов, и поэтому невозможно остановить их накопление в окружающей среде. Тем не менее, в отличие от многих других материалов, они могут быть очень химически активными и оказывать уникальное воздействие на здоровье и безопасность людей и окружающей среды.
Одним из важных конечных пунктов для наночастиц являются сельскохозяйственные почвы. Наночастицы переносятся в почву через орошение и внесение удобрений из очистных сооружений. Из-за этого зерновые культуры могут быть подвержены повышенному воздействию наночастиц в почве, в которой они растут.
Более того, нанотехнологии потенциально могут революционизировать сельское хозяйство таким же образом как медицину и коммуникации, поэтому исследователям необходимо понять, как они влияют не только на растения, которые выращивают в данный момент, но и на будущие поколения культур.
"Нам необходимо исследовать влияние наночастиц на рост растений в настоящее время", - сказал д-р Джейсон С. Уайт из опытной станции сельского хозяйства в Коннектикуте, США, который является одним из ученых, призывающих к проведению дополнительных исследований. - "Любая технология имеет как риски, так и выгоды, и даже в тех случаях, когда польза может быть огромной, риски должны быть тщательно изучены. Необходимы дополнительные исследования влияния наночастиц на несколько поколений растений."
Д-р Ма из Texas A & M University вместе с другими исследователями изучали влияние наночастиц оксида церия на здоровье растений и их урожайность на трех поколениях растений - впервые было сделано такое всеобъемлющее исследование. Они выращивали три поколения растений Brassica rapa в почве, загрязненной оксидом церия, и исследовали влияние наночастиц на рост и размножение растений. Их результаты показали, что такое воздействие снизило качество семян и пострадали последующие поколения растений, уменьшилась урожайность. Последующие поколения также демонстрировали больше признаков стресса, чем их "родители" в одних и тех же условиях выращивания.
"Наше исследование значительно расширило горизонты изучения взаимодействий растений с наночастицами и воздействия наночастиц на сельскохозяйственные культуры, чем большинство предыдущих исследований," сказал д-р Ма.
