Нано значит нано

Карлики
Nanos — по-древнегречески «карлик». Отсюда и название науки. Основная величина в нанотехнологиях — нанометр, одна миллиардная часть метра. Нанотехнологии имеют дело с микроскопическими объектами, с микромиром — с тысячными и миллионными долями пылинок. Иными словами, это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.

Микроруки
В начале 1920-х годов классик советской детской литературы, друг Даниила Хармса и Самуила Маршака Борис Житков написал фантастический рассказ «Микроруки» о гениальном изобретателе, который собрал микроскопические руки-манипуляторы. Нынешние нанотехнологи работают, безусловно, не по описанной ниже схеме, но идеология их деятельности предсказана писателем абсолютно точно:
«…Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих — пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал. Мало того, я тонкой работой часового мастера снабдил их механизмом, который двигал пальцами, этими маленькими кукольными пальчиками, в точности по моему приказу. Я все это управление привел к перчаткам, к особым перчаткам. Я надевал эти перчатки на руки, и малейшее мое движение целой сетью проводов передавалось кукольным ручкам: я сожму правый кулак — в маленький кулачок сжимается правая ручка…»
Дальше с помощью микрорук изобретатель собирает руки еще меньшего размера. «Я мог своими микроруками быстро и без промаху работать под сильнейшим микроскопом. Мельчайшие ростки злокачественной опухоли я удалял из живого организма, я рылся в больном глазу, как в огромном заводе, и у меня не было отбоя от работы. Но меня это не останавливало на моем пути. Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах — кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко. И я стал добывать материал для новых маленьких перчаток, чтоб сделать эти ультрамикроруки. Я работал в капле воды. Мне надо было поймать инфузорию-коловратку, чтоб из ее шкуры сделать перчатки. Я глядел в два микроскопа, я видел, как вертелись и носились инфузории. Я даже слышал легкое шлепанье их тел, когда они сталкивались. Мне казалось, что я сам сижу в этом подводном мире».

Ричард Фейнман
Первый более или менее пространный свод методов нанотехнологии дал американский ученый Ричард Фейнман в знаменитом докладе «В том мире полно места», зачитанном в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера. Такой процесс, доказывал ученый, не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам. Слово «нанотехнологии» он тогда еще не упоминал.
Впервые термин «нанотехнология» употребил профессор Токийского университета Норио Танигути в 1974 году: так он назвал производство изделий размером несколько нанометров. Но главным популяризатором термина 1980-х годах стал американский ученый Эрик Дрекслер, который неутомимо рассказывал всему миру о чудесах наномира в своих книгах. Самая известная из них — «Машины создания: грядет эра нанотехнологии».

Микроскопы
Квантовая физика, на достижениях которой базируется масса современных нанотехнологических открытий, учит, что любое наблюдение — это манипуляция с наблюдаемым объектом. Ученый, измеряющий, например, импульс атома гелия, вступает во взаимодействие с ним и изменяет его первоначальное состояние. В современных мощных микроскопах — важнейших инструментах нанотехнолога — наблюдение и манипуляция стали нераздельны. Контакт суперкрошечного микроскопа с атомом действует и на объект, и на инструмент.
Первые средства для нанотехники изобретены в швейцарских лабораториях фирмы IBM. В 1982 году был создан растровый туннельный микроскоп, за что его создатели четырьмя годами позже получили Нобелевскую премию. В 1986 году они же сделали атомный силовой микроскоп.
Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, «сканирует» эту поверхность). При изменении силы, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком.
С помощью атомно-силового микроскопа можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Ученым уже удалось, используя данный метод, создать двухмерные наноструктуры на поверхности. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa.

Наночастицы
Это частицы размерами от 1 до 1 000 нанометров. Наночастицами могут, например, быть крупные молекулы. Или целые молекулярные соединения — например, фуллерены, одни из самых известных на сегодняшний день наночастиц. Если посмотреть на них в микроскоп, можно увидеть выпуклые замкнутые многогранники, составленные из атомов углерода. Называются они в честь инженера и дизайнера Ричарда Бакминстера Фуллера, строившего дома и геодезические конструкции в виде таких многогранников.
Наночастицы стали главным объектом изучения нанотехнологий благодаря своим удивительным свойствам. Прежде всего выяснилось, что если тщательно очистить наночастицы от всех посторонних атомов и молекул, они могут самовыстраиваться в определенные структуры. Например, наночастицы некоторых органических материалов образуют сверхтонкие пленки с замечательными оптическими свойствами — такие пленки начали применять для производства солнечных батарей. Структуры из наночастиц других материалов оказались незаменимыми «впитывателями» — абсорбентами.
Фуллерены проявили целый букет полезных качеств. Это, во-первых, прекрасный полупроводник с большим будущим в электронике. А во-вторых, суперускоритель роста искусственных алмазов (выход алмазов увеличивается на ~30%). Аккумуляторы и электрические батареи, новые лекарства — все это тоже становится недалеким будущим фуллеренов.

Нанотрубки
Близкие родственники фуллерена, нанотрубки, открытые в 1991 году японцем Сумио Иидзимой, произвели фурор — и не только в узких научных кругах. Молекула нанотрубки содержит более миллиона атомов углерода и представляют собой трубку с диаметром около нанометра. Толщина этих длинных цилиндрических образований в 50–100 тысяч раз меньше человеческого волоса.
Нанотрубка внутри полая, ее поверхность состоит из атомов углерода, образующих шестиугольники. Прочность и легкость нанотрубки поразительны: в 6 раз легче, и в 50–100 раз прочнее стали. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко, а небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из множества нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 тонн, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы.
В ближайшем будущем, когда ученые смогут получать нанотрубки длиной до 1 метра, специалисты из NASA планируют построить на их основе «космический лифт». Космический лифт — это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную станцию в космосе с платформой на поверхности Земли. С помощью такого лифта можно будет эффективно доставлять в космос грузы, не тратя огромное количество средств на запуск ракет. По кабелю вверх и вниз будут перемещаться кабинки на гусеничном ходу, перенося спутники и метеорологические зонды, которые нужно вывести на земную орбиту или дальше. Вероятно, будут созданы также и комфортабельные кабинки для людей, желающих отправиться в космическое путешествие. Причем первый такой космический лифт может быть построен уже через 10–15 лет.

Нанороботы
Создание робота размером с бактерию или меньше, который по заданию человека строил бы из атомов различные объекты, а также был способен к самовоспроизводству, — в настоящее время важнейшая задача нанотехнологий. Отец нанотехнологии и наноробототехники Эрик Дрекслер назвал подобные машины ассемблерами, то есть сборщиками. Правда, технология изготовления такого робота пока существует лишь в теории и называется «управляемый механосинтез» — составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором. В общем, все примерно так, как это описывалось Житковым в рассказе «Микроруки».
Наноманипуляторы пока не существуют, но уже разработана зондовая микроскопия, с помощью которой иногда все-таки производят перемещение некоторых отдельных молекул и атомов. Самореплицирующаяся структура может производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор. Если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство ограничится только микроскопическими продуктами. Обнадеживает то, что природа использует репликаторы повсеместно — при размножении организмов. Давно созданы и компьютерные программы, способные к репликации — те же вирусы, поэтому в принципе создание нанорепликаторов — вопрос времени. На сегодняшний день в NASA очень интересуются созданием автономных кибернетических устройств, способных к репликации, для освоения Луны и Марса. Специалисты считают, что создание сверхмалых автономных космических устройств откроет новое направление в освоении космоса и Солнечной системы.

Серая слизь
Потенциальное ничто, серая зияющая пустота, в которую могут превратить окружающий мир нанотехнологии, если что-то пойдет не так. В 1986 году все тот же Эрик Дрекслер описал невиданно мощную систему нанопроизводства будущего. Главными героями этого конвейера, по его представлению, были как раз роботы-сборщики размером с бактерию, способные укладывать в нужные места отдельные молекулы. Такая молекулярная сборка была бы в высшей степени продуктивна, поскольку крошечные роботы на микроскопических расстояниях двигаются очень быстро, а молекулярные масштабы обеспечивают высочайшую точность и прочность сборки. Но Дрекслер уже тогда описал, к чему такой сценарий может привести. Естественно, удобнее всего, когда нанороботов делают сами нанороботы. Но коль скоро робота-сборщика в принципе можно запрограммировать на самовоспроизводство, появляется и вероятность выхода процесса саморепликации из-под контроля — когда роботы-репликанты начнут перерабатывать для самовоспроизведения всю доступную им материю и биомассу, стремительно превращая окружающий мир в «серую слизь» — «gray goo».

Гигантское магнетосопротивление
Giant magnetoresistance — так назывался эффект, который в 1988 году независимо друг от друга открыли Альбер Фер и Петер Грюнберг, за что и получили в этом году Нобелевку. Ученые обнаружили, что если сконструировать эдакий торт «Наполеон» из тончайших слоев магнитного железа и немагнитного хрома, а затем к полученному кристаллу приложить магнитное поле, то электрическое сопротивление кристалла падает многократно. Такие кристаллы позволили значительно увеличить плотность хранения информации как в оперативной памяти, так и на жестких дисках.
Вообще, нанотехнологии пока что показывают наибольшую эффективность именно в сфере электроники: средства отображения информации уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок. Через несколько лет с их помощью можно будет реализовать сворачиваемые электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.

Нанокарта
Самым большим и самым сложным объектом наномасштаба, созданным в лаборатории, на сегодняшний день является сделанная из ДНК карта обеих Америк в масштабе 1 к 200 триллионам. Все западное полушарие заняло меньше места, чем бактерия, а 50 миллиардов копий этой карты могли бы соответствовать по размерам одной капле воды. Вместе с коллегами Пол Роземунд — молодой ученый и автор карты — изучает ДНК и природные алгоритмы в Калифорнийском технологическом институте. Согласно недавней публикации в журнале Nature, Роземунд называет свое изобретение «ДНК-оригами» и может создать из молекулярных цепочек любую двухмерную фигуру.

Нанокомпьютер
На сегодняшний день разработаны несколько разновидностей биохимических компьютеров, информация в которых представлена путем образования и разрыва химических связей: биохимические молекулы способны на простейшие логические операции.
Один из первых биокомпьютеров был «собран» на базе ДНК в 1994 году Леонардом Адельманом. Но пока сложностей в этом направлении еще слишком много. Непонятно, как, например, преодолеть броуновское движение, заставляющее молекулы — составные части компьютера — разбегаться в стороны. Другая проблема в том, что биокомпьютер должен оперировать цифрами (байтами, битами), а не нуклеиновыми основаниями, и при этом иметь достаточную память.

Нанотранзистор
Есть и еще один вариант «сотрудничества» нанотехнологий и электротехники. Идти можно не по пути биокомпьютеров, а по проторенному транзисторному. Транзистор — это полупроводниковый электронный прибор, на котором основана вся современная цифровая техника, от компьютеров до мобильных телефонов. Ученым из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Клемсона впервые удалось сделать транзистор полностью из углеродных нанотрубок. Таким образом, все приборы, использующие сегодня обычные транзисторы, с появлением нанотранзисторов должны резко уменьшиться в размерах.

Пластиковая сталь
Профессор университета Мичигана Николас Котов и его коллеги несколько месяцев назад представили новый материал — легкий, как бумага, и при этом прочный, как сталь.
Ученые создали робота, который выстроил слоистый материал, поочередно нанося на стеклянную подложку то «кирпичи», то «строительный раствор» из специальных емкостей. Каждый слой при этом был толщиной несколько нанометров, а кирпичами для «пластиковой стали» послужили наночешуйки глины, взвешенные в воде. Опытный образец пластиковой стали имеет размеры примерно как у пластинки жвачки, а толщину — как у полиэтиленового пакета. Он прозрачен, легок и прочен, потому как содержит 300 двойных слоев. Но главное: при возникновении сдвигов и напряжений оборванные водородные связи тут же восстанавливаются, постоянно удерживая все элементы композита вместе. «Мы все еще находимся на этапе предварительных исследований, — говорит Котов, — но уже строим в нашей лаборатории машину, которая сможет создавать кусочки пластиковой стали величиной метр на метр».

Наногитара
Первую в мире и, соответственно, самую маленькую на планете гитару создали ради забавы 10 лет назад в Корнелльском университете. Длина этой гитары — 10 микрометров. Это размер клетки крови.
Три года назад появилась еще одна наноновинка — точная копия Gibson Flying V, или «Ласточки». Она приблизительно в пять раз больше, чем первый образец, но без микроскопа заметить ее, конечно же, невозможно. Струны, сделанные из кремниевых прутиков, звенят на 17 октав выше, чем струны обычной гитары. Лазерным лучом можно дергать эти струны: вибрируя, они вмешиваются в луч, а отраженный свет при помощи электроники преобразуется в слышимые ноты.

Нанопанк
Сборник фантастических рассказов американского писателя Пола де Филиппо «Рибофанк» стал манифестом нанопанка, новейшего фантастического стиля, пришедшего на смену киберпанку. Описывается в нем довольно мрачный вариант развития нанотехнологий — гибель мира от бесконтрольно размножившихся нанороботов. Нанопанк интересуется созданием разумной материи, полезными вирусами и прочими молекулярными устройствами.

iPod и нанотехнологии
Никакого отношения iPod nano к нанотехнологиям не имеет — «nano» он стал исключительно благодаря своим карликовым размерам (когда Apple Computer представляла iPod nano, он пришел на смену популярному тогда iPod mini). iPod nano, по мнению большинства гаджетоведов, был технологически лучшей, более дорогой, но, к сожалению, весьма уязвимой альтернативой iPod mini. Другое дело, что вся современная электроника все более крепкими узами связывается с нанотехнологиями.

Деньги
Скачкообразное развитие мировой нанотехнологической индустрии произошло в 2004 году, когда инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. Лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Интересно, однако, что сейчас на долю частных доноров — корпораций и фондов — приходится примерно $6,6 млрд инвестиций в год, а на долю государственных структур — около $3,3 млрд.

Роснанотех
В России освоение нанотехнологий объявлено чуть ли не национальной идеей. Создана госкорпорация «Роснанотех», которой выделен гигантский, невиданный для российской науки бюджет — 130 млрд рублей — до конца следующего года. К 2015 году инвестиции в новорожденную госкорпорацию могут достигнуть уже 200 млрд. Роль корпорации подчеркивают не только огромные куски бюджетного пирога, но и могущественный руководящий состав. Роснанотех возглавил бывший зампред правления РАО ЕЭС Леонид Меламед, в правительстве нанотехнологии курирует первый вице-премьер Сергей Иванов, а председателем наблюдательного совета корпорации стал министр образования и науки Андрей Фурсенко.
«По масштабу задача сопоставима с теми, которые стояли перед разработчиками космической или атомной программы», — не скромничает Меламед. Однако, как именно будет выстроена деятельность Роснанотеха, пока не ясно — не определена и структура корпорации. Если, конечно, не принять за определение слова Андрея Фурсенко, заявившего, что структура будет «эффективной, небольшой и некоммерческой».

Прогнозы
Все прогнозы, связанные с нанотехнологиями, настолько фантастичны, что не укладываются в голове. В ближайшие 50 лет станет возможным:
— автоматическое строительство орбитальных систем и колоний на Луне и Марсе;
— решение проблемы нехватки пищи, жилья и энергии;
— отдаление человеческой смерти на неопределенный срок;
— перестройка человеческого тела для увеличения естественных способностей;
— беспроводное взаимодействие компьютера и микрочипа, вшитого в человеческий мозг;
— компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности, причем каждый человек будет иметь возможность быть терминалом — через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.
Примечательно, что эти прогнозы озвучивают не фантасты, а вполне серьезные ученые и эксперты.

Образование
В России нанотехнологов готовят уже в десяти вузах — все они перечислены ниже.
1. РХТУ им. Д.И.Менделеева, кафедра нанотехнологии и наноматериалов
2. МГУ им. М.В.Ломоносова, факультет наук о материалах и химический факультет, кафедра коллоидной химии
3. Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П.Королева, кафедра нанотехнологий
4. Уфимский государственный авиационный технический университет, кафедра нанотехнологий, факультет авиационно-технологических систем
5. Уральский государственный университет им. А.М.Горького, физический факультет
6. Новосибирский государственный технический университет, факультет радиотехники, электроники и физики
7. Московский физико-технический институт (университет), факультет физической и квантовой электроники
8. Таганрогский государственный радиотехнический университет, Региональный межведомственный центр коллективного пользования «Нанотехнологии»
9. МГТУ им. Н.Э.Баумана, кафедра «Проектирование и технология производства ЭА»
10. Московский институт электронной техники, кафедра «Квантовая физика и наноэлектроника»