Чтение онлайн

Итак, размер. Размер — так определилиэксперты — должен быть в диапазоне от 1 до 100 нанометров — вот отсюда и приставка «нано» ко всему остальному: к технологиям, материалам, свойствам. Эта приставка (дословно переводимая с древнегреческого как «карлик», «гном») означает одну миллиардную часть чего-либо. В данном случае — метра. Это очень маленький размер. В 1 нм (так кратко записывают нанометр) привычного нам твердого тела — кусочка льда, титановой детали реактивного самолета, куска школьного мела — умещается лишь несколько атомов.

Поразительную малость этого размера можно представить себе и так: если уменьшить Землю до размера теннисного мяча, то яблоки, растущие на ней, будут размером в 1 нм. Помните поговорку о иголке в стоге сена? Задача найти и наточить иглу (причем не вынимая ее из стога) — пустяк по сравнению с тем, что делают нанотехнологии: найти наноразмерный объект и осуществить манипуляции с ним. А это именно так — транзистор в чипе размером 10 нм уже никого не удивляет. А эти транзисторы, между прочим, собраны в сложнейшие схемы, которые работают.

Но в размере ли дело, точнее, только ли в нем? Бывает, что и в нем. Например, для электроники такой размер принципиален: чем он меньше, тем меньше электропотребление и тем выше скорость работы (тактовая частота). Но чаще дело вовсе не в размере. Просто с ним связано то, что мы вынуждены (или хотим) иметь дело с отдельными атомами и молекулами. Именно возможность манипуляции отдельными атомами и молекулами наиболее точно определяет нанотехнологии. Нанотехнологии во многом напоминают конструктор, подобный «Лего», деталями в котором служат отдельные атомы и молекулы. А уж размер деталей, само собой, маленький.

Но этот маленький размер может быть все же больше объявленных предельными 100 нм. Есть такой важный объект — молекула белка. Ее нормальное состояние — быть свернутой в глобулу (образование в виде клубка) диаметром более 300 нм. Но это настоящий нанообъект, причем один из самых важных. Именно с такими объектами связывают наиболее перспективное в нано: способность к репродукции, способность к производству по программе, заложенной в самой молекуле белка. Именно так работает наследственный механизм всего живого. Для нанотехнологий такой механизм применительно к неживой материи называют самосборкой.

Принципиальная связь нанотехнологий и механизмов живого — очень важный аспект нанобезопасности и соответствующих рисков. Именно здесь есть где разгуляться фантазии. Но — и это принципиально важно — за этими образными фантазиями, которые с успехом могут стать основой сценария увлекательного ужастика, порой стоят отнюдь не броские, но реальные угрозы, которые крайне опасно не заметить.

Итак, нано — это малый размер, атомарная «механика» и «механика» живого или «механика» подражания жизни. Но где мы можем увидеть это нано, эти нанотехнологии, в чем они «находятся»?

Простейшее (если по отношению к «нано» данное слово вообще уместно) «вместилище» нанотехнологий — это наноматериалы, а также наносырье для их производства. Новые материалы основаны на том, что придание им структуры с характерным наноразмером кардинально улучшает их полезные свойства: повышает прочность, износостойкость, снижает вес. Они могут обладать дополнительными качествами, ради которых их и создают, такими как отсутствие трения в трущихся частях, биосовместимость (что означает, например, неотторжение протеза организмом), несмачиваемость или связанная с ней способность не обледеневать и др. Все такие материалы называют конструкционными. Из них что-то делают: корпус ядерного реактора или подводной лодки, электропровода контактной сети сверхскоростного электропоезда, беговые лыжи, скользящие по асфальту как по снегу, и многое-многое другое. И с наличием (или отсутствием) таких материалов связаны те или иные возможности и те или иные риски.

При производстве этих — а также других, о которых речь чуть ниже — материалов используют наносырье. Наносырье само является нанообъектом: это наночастицы и нанопорошок, углеродные и неуглеродные нанотрубки, фуллерены, дендримеры и др. Этот — собирательно назовем его — нанопорошок состоит из частиц или волокон наноразмера. Но и сами частицы и волокна могут обладать довольно специфичными свойствами. Простейший из нанопорошков, встречающихся в природе, — асбест, применение которого несет с собой хорошо известные риски, прежде всего канцерогенность. С другими наночастицами на сегодня не все так ясно.

Кроме конструкционных материалов нанотехнологии знают материалы функциональные. Это такие материалы, в которых само «тело» материала является механизмом. Неправильно думать, что до появления нанотехнологий функциональных материалов не было. Напротив, они были и широко использовались. Это и кристалл кварца, «держащий» частоту в высокоточном генераторе или часах, это и пьезокристалл, преобразующий колебания иглы электропроигрывателя 50–70-х годов XX в. в электрический сигнал и популярную мелодию Бернеса. (Кстати, похожие кристаллы используются и в нанотехнологиях. С помощью электрического тока, подаваемого на пьезокристалл, перемещают кантилевер [5] атомно-силового микроскопа на расстояние в десятки микрон с точностью до нескольких нанометров.) Функциональные материалы разнообразны: это и электротехнические среды аккумуляторов и батареек, и катализаторы большой химии, и даже порох.

Однако расцвет функциональных материалов приходится на нано. С появлением нанотехнологий они стали по-настоящему важны и разнообразны. Например, представьте себе материал, который способен подбирать к молекулам множество «ключей» (один подошел, другой нет) и на основе которого возможно создание такого устройства, как искусственный нос (см. п. 2.3 «Оставив свободу с носом»).

С функциональными наноматериалами тесно связаны наноустройства. Часто невозможно различить, где «заканчивается» материал и «начинается» устройство. В этом и суть функциональных материалов: они сами — распределенное устройство, устройство без шестеренок и винтиков.

Такие устройства — источник широчайшего спектра возможностей, часть которых сегодня даже трудно представить. А возможности, как мы уже говорили, имеют оборотную сторону — риски. И их спектр также широк, как и спектр возможностей. Об этом необходимо помнить всегда, когда мы создаем что-то новое, когда кардинально расширяем наши возможности.

Важной отличительной особенностью функциональных наноматериалов является структура. В простейшем случае это специально приготовленная поверхность, в более сложных — квантовые точки, квантовые борозды и их аналоги. Речь идет о структуре именно на атомарно-молекулярном уровне. Конечно, углеродная нанотрубка является также структурой. Но в составе нанопорошка такая структура не носит строго упорядоченного характера. Так, лес отличается от парка: парк может быть «французским», где деревья составляют строгие геометрические узоры, может быть «английским», который похож на естественный лес, но все равно каждое дерево посажено строго по плану.

В нанотехнологиях часто материал уходит на второй план и вперед выступает Ее Величество Структура (см. главу 2 «Чудеса структуры»). Так и говорят — мы имеем дело с наноструктурами. Наноструктуры разнообразны. Это и так называемые метаматериалы (здесь слово «материалы» почему-то сохранилось), используемые в гига- и терагерцовой электронике, и то, что представляет собой следующий этап электроники, включая собственно электронику (как традиционную, так и принципиально новую), а также фотонику и спинтронику. Фотоника заменяет «привычный» нам электрон на квант света как носитель сигнала в наших сложных схемах, из которых мы собираем компьютеры, датчики и бытовые приборы. Спинтроника основана на коллективном поведении тех же электронов, их взаимодействии через спин: ток не идет (ток — это направленное движение электронов), сигнал же — пожалуйста: электроны как бы передали его «из рук в руки». С устройствами на базе спинтроники мы уже хорошо знакомы на бытовом уровне: она присутствует во флешках и другой долговременной памяти.