«Если», 2002 № 05 - Брайан Плант

Не спешите экспериментировать, такое не удавалось даже Гудини и Копперфильду. Явление это существует лишь в мире элементарных частиц и называется туннелированием, или туннельным эффектом. В середине 50-х годов японцы создали так называемые туннельные диоды, а чуть позже московский физик Юрий Тиходеев рассчитал параметры многослойных туннельных структур. В 1981 году был создан сканирующий туннельный микроскоп — устройство, которое позволяло избирательно воздействовать на атомы проводящего материала. И это за пять лет до того, как вышла книга Дрекслера! То есть инструмент уже был, но ученые еще не знали об этом.

В год выхода книги «Машины творения» был создан атомно-силовой микроскоп. Он позволял «брать» атомы любого вещества, а не только проводников, и помещать их в нужное место, то есть осуществлять сборку. Сверхтонкая игла скользила очень близко к поверхности, так, чтобы люфт был не больше атома. Электрический потенциал у иглы «выхватывал» атом с поверхности материала, а затем игла переносила его туда, куда желал экспериментатор.

Первый nano-tech эксперимент был проведен в 1990 году. Сенсационная фотография букв IBM обошла весь мир. Название знаменитой компании было составлено из букв высотой всего лишь в пять атомов инертного газа.

В 1994 году nano-tech методики стали применяться в промышленности. Контроль над матрицами DVD-дисков, получение новых материалов, создание сканирующих зондовых микроскопов, устройств для манипулирования молекулами. В ближайшее время мы получим батарейки для ноутбуков, мобильных телефонов и подобных им устройств, которые будут служить в десятки раз дольше, чем нынешние. Плотность записи на магнитных и иных носителях возрастает со дня на день. Размеры микропроцессоров хоть и не достигли наномасштабов, но они стремительно уменьшаются…

Словом, наноиндустриальная революция набирает темп.

Все это великолепно, снова воскликнет читатель. Технологии совершенствуются, никого сейчас не удивишь очередным достижением. Но как насчет пресловутых нанороботов? Сколь реальны обещанные чудеса и диковины? На какой основе будут создаваться ассемблеры?

Ответ на эти вопросы тоже имеется.

Мы хорошо знаем две природные формы углерода — графит и алмаз. Их непохожесть объясняется разными способами «упаковки» атомов. У алмаза она сетчатая, в форме пространственных тетраэдров — отсюда его исключительная твердость. У графита же атомы расположены гексагонально, они идут слой за слоем. Неудивительно, что графит используют для смазки.

В 1973 году московские химики Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн доказали, что квантовая химия допускает теоретическую возможность новой естественной формы углерода. Изображение молекулы выглядело фантастично. Несмотря на то, что японцы пришли к тем же выводам, ученая общественность восприняла работу как игру ума.

В первой половине 80-х годов астрофизики обнаружили в спектрах «красных гигантов» странные полосы. Судя по всему, это были следы углерода. Но молекулы его были незнакомой формы. А в 1985 году англичанин Гарольд Крото в лаборатории Сассекского университета обнаружил молекулы углерода, имеющие сферическую форму. Он исследовал так называемые масс-спектры паров графита, которые образовывались под воздействием мощного лазерного луча. Выяснилось, что в спектрах имеются два сигнала, которые соответствуют большим агрегатам, группам из атомов углерода. Причем, в одном случае этих атомов было 60, а в другом — 70. Это настолько поразило ученого, что он связался со своими американскими коллегами из университета Райса в Хьюстоне. Ричард Смолли и Роберт Керл подтвердили его открытие и в итоге разделили с Крото славу нобелевских лауреатов по химии в 1996 году.

Какой же была форма новых молекул? Крото, Керл и Смолли предположили, что это многогранники, похожие на футбольные мячи, собранные из пяти- или шестиугольников. Попадись им тогда работа московских ученых, они бы очень удивились: картинка совпадала с точностью до молекулы.

Так был открыт фуллерен.

Его полное научное название звучит коряво — бакминстерфуллерен, названный так в честь Ричарда Бакминстера Фуллера, американского философа, ученого, инженера, архитектора и поэта. Он родился в 1895 году, а умер в 1983-м, за два года до экспериментов Крото и Смолли.

Интересно, что Фуллер не был химиком или физиком. У нас он известен разве что историкам архитектуры. Дело в том, что по его проекту был выстроен павильон США на монреальской выставке ЭКСПО-67. Павильон представлял собой купол из шестигранных ячеек, этакий огромный футбольный мяч. Между тем Фуллер знаменит не только разработкой так называемых «геодезических» куполов. Его считают одним из самых ярких мыслителей XX века. Достаточно сказать, что в своих поисках гармонии между природой и архитектурными сооружениями он создал так называемую «синергетику» — дисциплину, системно объединяющую структурные характеристики пространственных форм и решающую задачи на стыках наук.

Химическая активность фуллеренов, их способность заключать в своих «оболочках» другие элементы сейчас используется в технологических процессах, связанных с созданием неизвестных доныне материалов с необходимыми нам свойствами. В их числе — новые разновидности сверхпроводников, полупроводников и материалы, в сотни раз прочнее стали, носители сверхплотной записи информации. Предполагается разработка технологии синтеза алмазов и сверхтвердых соединений, в том числе и тонких алмазных пленок. В перспективе — новые полимеры с невероятными для них электронными, магнитными и оптическими свойствами, нетрадиционные источники тока, катализаторы, материалы для лазеров… И это только ничтожная часть возможностей, открываемых фуллеренами для рывка на совершенно иной уровень развития науки и техники.

А самое главное — выяснилось, что фуллерены могут образовывать не только замкнутые фигуры, но также и трубки-тубулены. Такие молекулы представляют собой полые цилиндры, составленные из шестиугольников, а на конце «закрытые» полусферой из пятиугольных фрагментов. Вот эти нанотрубки и являются «кирпичиками» для ассемблеров. Именно они должны стать основой «рук»-манипуляторов, с помощью которых будут перемещаться атомы.

Что конкретно мы имеем на сегодняшний день? Ученые научились управлять протеинами клетки, перемещая их с помощью нанотрубок. Удалось сделать шарикоподшипники, двигатель и карданные механизмы, состоящие всего из трех с половиной тысяч атомов. На базе нанотрубок соорудили весы, которые могут взвесить вирус. Из органической молекулы создан транзистор размером в 1–2 нанометра, то есть в миллион раз меньше песчинки, причем использовалась технология «самосборки». Собрана самая маленькая логическая схема на основе двух транзисторов, построенных из отдельной молекулы углерода. С помощью искусственной ДНК стали манипулировать молекулами, пока, правда, еще не очень умело…