Эколого-экономический потенциал Башкортостана - Эдуард Байков

На одном из заседаний Башкирского отделения Научного совета РАН по методологии искусственного интеллекта завкафедрой математики и информатики БИСТ профессором М. Доломатовым был прочитан интереснейший доклад на тему нанотехнологий. Так что же такое нанотехнология и с чем ее едят?

Мизерные устройства

Греческое слово «нанос» означает «гном», им обозначают миллиардные части целого. Нанотехнологии – область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10-9 метра).

Историк науки Ричард Букер отмечает, что историю нанотехнологии создать сложно из-за неопределенности самого этого понятия. Чарльз Пул, автор книги «Введение в нанотехнологию», приводит такой пример: в Британском музее хранится так называемый «Кубок Ликурга», 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. Но это не означает, что в Риме была использована нанотехнология.

Технологии: обычные и нано

Вещество может иметь качественно новые физические и химические свойства, если оно очень мелко раздроблено. Частицы размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства: например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Уже сегодня ученым удалось добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – рибосомами, белками, нуклеиновыми кислотами… наночастицы могут организовываться в пространственные структуры. Такие структуры также проявляют необычные химические и физические свойства.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных инженерных дисциплин, потому что это технологии микромира, или пограничной области между нашим и квантовым миром. Обычные технологии металлов, химические технологии в таких масштабах совершенно изменяются. Очень сильно начинают проявляться квантовые свойства вещества. Это дает возможность разработки таких устройств, как молекулярные машины, нанороботы, квантовые компьютеры, молекулярные компьютеры и прочее.

Нанотехнологии и современный мир

Уже к 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $ 10 млрд. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Много в этой области работают Европейский Союз, Япония, Канада, Китай, Южная Корея, Израиль, Сингапур, Бразилия и другие государства. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $ 464 млн. в 2001 году до $ 1 млрд. в 2005-м. В 2006 году США выдели на эти цели дополнительно $ 1,1 млрд. Еще $ 4 млрд. в 2006 году потратили на те же цели американские корпорации. На Западе нанолаборатории создают гиганты большого бизнеса – например, General Electric, IBM, Bell, BASF, крупные университеты. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 10 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, приблизится к $ 1 трлн.

Начало

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В 1968 году Альфред Чо и Джон Артур разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел слово «нанотехнологии», которым предложил называть малые устройства, размером один микрон и меньше. В 1981 году германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный различать атомы. В 1985 году американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали с помощью электронной микроскопии технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром нанометр, появились манипуляторы для работы с такими объектами. В 1989 году Дональд Эйглер, инженер фирмы IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона. В 1998 году появились первые наноустройства. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, композиционных материалов, спортивного оборудования и инвентаря, военного снаряжения, транзисторов и диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки, косметики и одежды. В 2002 году на Кубке Дэвиса были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий. В общей сложности в США и на Западе сейчас применяют нанотехнологии при производстве около 100 групп потребительских товаров и свыше 1000 видов материалов различного назначения.

Нанокирпичики

Таковыми являются молекулы углерода, напоминающие футбольные мячи, – фуллерены C60 и углеродные трубки фуллерены. Эти структуры были открыты в 1985 году (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В 1991 году японским исследователем Сумио Иижима были получены углеродные нанотрубки. Диаметр таких трубок – 0,9 нм, длина – нескольких десятков микрон, поэтому они и получили название нанотрубок.

Как получают нанотрубки?

Это довольно сложная химическая технология, хотя в ее основе очень простое явление – вольтова дуга (плазма дугового разряда). При высокой температуре происходит образование углеродных веществ. Наиболее распространенным способом получения углеродных нанотрубок является термическое распыления графитовых электродов. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под повышенным давлением. При горении плазмы происходит испарение анода, при этом на поверхности катода образуется осадок, в котором имеются нанотрубки углерода. Аналогично производят фуллерены. В настоящее время производство этих материалов выходит на сотни тонн в год.

Достижения нанотехнологии

В Стэнфордском университете удалось создать транзистор из одностенных углеродных нанотрубок и некоторых органических материалов. Эриком Дрекслером был предложен проект механокомпьютера – компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последовательных движений системы стержней (как в первых счетных машинах Блеза Паскаля). Размеры нанокомпьютера на механотранзисторах составляют всего 400х400х400 нм. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то последняя будет больше в 10–15 раз! При этом вычислительная мощность нанокомпьютера – 1016 операций в секунду, что можно сравнить с производительностью персоналки на Pentium II с тактовой частотой 1–1,3 ГГц.

В перспективе нас ждет появление гибких компьютеров, которые можно складывать как угодно, и пленочных экранов на нанотрубках. Симбиоз наноэлектроники и достижений биотехнологии позволит делать такие имплантаты, что не снились даже фантастам. Формы жизни, созданные на биоэлектронной основе, будут, в принципе, универсальны – они смогут приспособиться как к вакууму, так и к агрессивным средам, и при этом размножаться. Искусственный интеллект, скорее всего, будет реализован именно в наноэру.

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы дисплеи, работающие на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя.

В университете Райса построили модель автомобиля, состоящую из одной молекулы. Шасси автомобиля имеет две пары колес в виде сферических молекул фуллерена. На них наномашина может перемещаться по идеально гладкой поверхности золотого кристалла. Ее диаметр – около 4 нанометров, роль «колес» выполняют фрагменты фуллерена-60, а «шасси» и «ось» – химические связи, которые содержат атомы углерода и водорода. Синтез автомобиля длился около полугода. Размер автомобиля составляет всего 4 нанометра. Исследователи снабдили этот автомобиль двигателем, который состоит из молекулы, меняющей свою форму, когда на нее падает квант света. За счет этих изменений автомобиль может самостоятельно двигаться по поверхности. За движением автомобиля наблюдали с помощью туннельного микроскопа. Это не просто экзотика науки. Это прототипы нанороботов. Ожидается, что уже к 2025 году появятся первые нанороботы.