Чтение онлайн

В предыдущей главе мы говорили о материалах и о рисках, с ними связанных. Было отмечено, что все начинается с материала. Однако последние примеры (со сверхпроводимостью, с материалами для водородной энергетики) показали, что важнейшим в материалах была их структура. Нанотехнологии — это тот случай, когда материал уходит на второй план, а на первый план выходит структура.

Действительно, мы не просто имеем дело с атомами — с ними мы имеем дело всегда, ведь из них состоят самые привычные вещи, — мы эти атомы размещаем так, как нам необходимо. Такое размещение и есть структура. При этом структура нано часто особенная. В привычном нам кристалле, например соли, тоже есть четкая структура — бесконечная череда повторяющейся во все стороны кристаллической решетки. Но не о такой «монотонной» структуре речь. Структуры нано более сложные.

Показательным примером такой особенной структуры являются так называемые дендримеры. Это как раз тот материал, который применяется для «губок» водородной энергетики.

Дендример — название говорящее. Это макромолекула, похожая на дерево [25] , точнее на его крону. Только подобия в дендримере еще больше — в кроне дерева ветки разные: ближе к стволу — толще, дальше от ствола — тоньше; в дендримере все веточки одинаковые и структура — строго регулярная (рис. 2.1).

«Ну и что, — скажет читатель. — В чем же особенность такой структуры? Похожа на кристалл, только немного странный». Странный — да, но не немного!

Дендример — фрактал. Хоть фракталы часто встречаются в нашей жизни, то, что они не такие, как обычные тела, поняли относительно недавно. Считается, что самым первым примером фрактала была береговая линия острова. Бенуа Мандельброт [27] в 1967 г. задался вопросом: какова длина береговой линии, например, острова Великобритания [28] ? Взял карту и измерил. Получил результат. Ему бы на этом успокоиться, но он взял карту большего масштаба, т. е. подробнее. Измерил. Результат получился другой — линия оказалась много длиннее! Тогда Мандельброт взял карту еще большего масштаба, еще более подробную. И опять длина линии здорово увеличилась. Ученый задумался: что же получается — у линии нет длины? Действительно, чем подробнее будет карта, тем больший результат мы получим. И никакой из результатов изменений, даже последний, не будет верным, потому что можно взять карту еще подробнее.

Чтобы это понять, рассмотрим кривую под названием кривая Коха [29] . Такая кривая строится так, как на рис. 2.2.

Сначала кривая выглядит как на рис. 2.2, а.Она состоит из четырех одинаковых прямых. По краям (первая и последняя трети) — прямые, а в средней трети две прямые, соединенные «треугольником». Длина такой кривой — 4/ 3, если за единицу принять длину основания кривой. Теперь давайте заменим каждую из четырех прямых линий на такую же, но уменьшенную в масштабе. Получится как на рис. 2.2, б. Длина линии составит ( 4/ 3) 2. Можно продолжать процесс замены прямых на уменьшенную кривую. На следующей стадии замены (рис. 2.2, в)линия будет более изрезанной, а длина ее составит ( 4/ 3) 3на следующей стадии — ( 4/ 3) 4. И так без конца. Длина линии бесконечна. Чем больше мы ее дробим, тем она длиннее. А теперь представьте, что мы рассматриваем эту кривую, нарисованную на карте. Мелких деталей не видно — длина кривой конечна. Но вот мы взяли карту с лучшим разрешением — и детали проявились. И длина увеличилась. Если разрешение увеличить втрое, проявится следующая часть структуры кривой, ведь так мы ее строили — каждый шаг связан с уменьшением масштаба втрое. А длина кривой на карте (в увеличенном масштабе) увеличится в 4 раза ( 4/ 3x3). Если увеличить масштаб карты в 3 или 10 раз, то длина обычной, привычной нам кривой увеличится также — соответственно в 3 или 10 раз. А для фрактала это не так! При изменении масштаба в k раз наблюдаемая длина нашего фрактала увеличится в k 4/3раз. Для обычной кривой — в k 1раз. Эта маленькая единичка и есть размерность обычной кривой — она одномерна.

Для площади наш показатель был бы равен двойке. Если линейные размеры увеличить в kраз, то площадь увеличится в k 2раз. Для объема — показатель 3. Двойка и тройка — размерность (соответственно) площади и объема. А наш фрактал имеет дробную размерность — 4/ 3 [31] . Он, конечно, не плоскость, но уже и не линия! Фракталы-линии бывают разные. И размерности у них тоже разные — между единицей и двойкой.

Наш дендример — такой же фрактал, только объемный. Если его увеличить в краз, то его «поверхность» увеличится быстрее, чем в k 2раз — размерность его поверхности между двойкой и тройкой. Таковы, например, хорошо известные нам снежинки: эксперименты показали, что размерность их «поверхности» между 2,7 и 2,8.

Сказанное не есть какая-то экзотика. Это источник серьезной метрологической проблемы. Метрология — это наша способность надежно и точно измерять длины, площади, количества, а также другие свойства всего того, с чем мы имеем дело. Метрология подобна аптекарю или, вернее, фармацевту, точно отвешивающему на своих весах строгие количества. И вот здесь этот аптекарь дает маху и не только в переносном смысле.

Дело в том, что среди разнообразных применений дендримеров есть и «аптекарское». Дендримеры используются как средство адресной доставки лекарств в клетки и органы человека. И доставит дендример лекарство точно туда, куда нужно: в нужную ткань, нужные клетки. Но сколько? Как быть с дозировкой? Количество лекарства, переносимого дендримером, зависит от его поверхности. А какова она? Разная, как и длина береговой линии. Удивительно, но слон и муха действительно живут в мире с разными длинами одной и той же береговой линии. Для мухи она много длиннее — из-за деталей, скрытых для слона. Так и площадь дендримера может зависеть от размера молекул, им переносимых. И дозировки будут разными!

Повторим, нанотехнологии — это всегда сложные структуры. Эти структуры имеют различную природу, в том числе фрактальную. И метрология в области нано сталкивается с тем, с чем мы ранее не сталкивались или почти не сталкивались [32] . Вы пытаетесь померить длину — а длины то и нет. Вместо нее какая-то странная полуплощадь. И это притом, что весь наш современный технологический мир — мир эталонов и стандартов, мир измерений на их основе, мир метрологии, той самой метрологии, которая совсем недавно казалась столь надежной и безальтернативной. Но в мире нано наши объекты измерения стали столь странными и необычными, что привычная нам метрология оказалась недостаточной. Наш технологический мир потерял устойчивые основания, а имеющиеся основания — зыбки.

Более того, следует привыкать к тому, что в области нано, когда мы говорим «измерили», мы имеем совсем не то же самое, когда измеряли штангенциркулем или микрометром металлическую деталь. Наши измерения перестали быть прямыми. Мы скорее высчитываем результат, чем его измеряем.

Например, поднесли мы иглу кантилевера сканирующего атомно-силового микроскопа к поверхности материала — «ощупываем» атомы. Мы их действительно скорее ощупываем, чем видим. Принцип работы заключается в следующем. Между иголочкой и поверхностью образуется электрическое поле. Его мы можем высчитать, смоделировать. Под действием этого поля течет ток, называемый туннельным. Чем ближе к атому наша иголочка, тем ток больше — и наоборот. Вот мы и знаем — где атом, а где пусто. Но если мы поднесем нашу иголочку к дендримеру, что мы «нащупаем»? А ничего. Ведь наше умение «щупать» существенным образом опиралось на то, что мы догадались, как выглядит электрическое поле от нашей иголочки, а догадались лишь потому, что знали заранее, как примерно расположены атомы. В случае дендримера можно теоретически предположить, что мы опять угадаем. Но если мы разглядываем плохо знакомую сложную молекулу, извитую во всех направлениях, поможет ли нам наше «ощупывание»?

Следует подчеркнуть, что данная сложность носит принципиальный и неустранимый характер. У нас нет возможности заменить грубую линейку на точный микрометр, как это было ранее. [32]

Нанотехнологии — наша попытка использовать законы квантового мира в нашем мире. А эти законы таковы: чем точнее мы пытаемся что-то померить, тем хуже (естественно начиная с квантового уровня)! Представьте, что вы пытаетесь рассмотреть лампочки на потолке. Получилось! Но что это? Она какая-то разбитая, как будто бы по ней молотком ударили. И не светит уже! Как же так — свет же был? Неужели у нас такой тяжелый взгляд, что лампочки разбиваются?

В квантовом мире любой «взгляд» — «тяжелый». В квантовом мире мы не можем разглядеть мелко и подробно без того, чтобы разглядываемое не нарушить: сдвинуть или изменить. Простейшим выражением этого факта является так называемый принцип неопределенности Гейзенберга. Из-за этого принципа тот объект, про который мы знаем точно, где он находится, вынужден это место покинуть. Вот если мы иголкой кантилевера тщательно ощупаем атом, мы его передвинем. Кстати, так и делают. А микроскоп именно поэтому называют атомно-силовым.