Нанотехнологии
Всего несколько десятилетий назад один из величайших ученых XX века выдвинул кое-какие чокнутые идеи - про манипуляции отдельными молекулами и малюсенькие приборчики. Задним числом они и вполовину не такие чокнутые - вполне точные предсказания того, чем нынче богаты нанотехнологии.
Физик Ричард Фейнман [Фейнмен], один из ученых, участвовавших в разработке атомной бомбы и исследовании крушения космического челнока «Чэлленджер», прочитал знаменитую лекцию о «проблемах манипуляции и контроля в малых масштабах». Лекция состоялась в 1959 году, и в те времена обсуждаемое в ней казалось совершенно маловероятным, едва ли не фантастическим. Фейнман не употребил слово «нанотехнологии» — его предложил один японский инженер лишь в 1974 году, — но речь шла о перемещении отдельных атомов, постройке наномашинок — механических хирургов — и размещении целой энциклопедии на булавочной головке.
Через несколько десятилетий после Фейнманова полета фантазии какая часть сказанного стала былью? Можем ли мы, к примеру, манипулировать отдельными атомами? Еще как. В 1981 году был изобретен сканирующий туннельный микроскоп, он дал ученым первую возможность взглянуть на мир атомов и молекул. Позднее, в 1989 году, Дон Эйглер из IBM понял, что может с помощью зонда этого микроскопа гонять атомы туда-сюда, и выложил аббревиатуру IBM из 35 атомов ксенона. К тому времени ученые в этой новой области науки располагали еще одним мощным прибором — атомным силовым микроскопом, и Эрик Дрекслер уже написал свою неоднозначную книгу о нанотехнологиях —
«Машины творения». Нанотехнологии стояли на пороге.
Переименуем мелюзгу
Ныне тысячи продуктов — от пудр для лица до телефонов — уже содержат материалы наномасштабов. Возможности потенциального применения есть в любой отрасли промышленности: и в здравоохранении, и в производстве возобновляемой энергии, и в строительстве. Но наноштуки — не человеческое изобретение. Всякие чудеса наноразмеров существовали в природе задолго до нашего появления.
«Я не боюсь ставить вопрос ребром: сможем ли мы когда-нибудь располагать атомы по своему усмотрению - сами атомы, мельче некуда!» Ричард Фейнман (1918-1988), американский физик, из лекции 1959 года
Наночастицы полностью соответствуют своему названию: они крошечные, обыкновенно размером от 1 до 100 нанометров, или 1-100 миллионных миллиметра. Это размеры атомов и молекул — химикам в таких масштабах, наверное, привычно, поскольку основную часть своего времени они думают об атомах и молекулах и их поведении в химических реакциях. В большинстве веществ атомы сбиваются в кучи и образуют «плотные» материалы, но атом золота в золотом слитке имеет совсем другие свойства, нежели золотая наночастица, в которой лишь несколько атомов этого металла. В лаборатории можно сделать из куска золота множество наночастиц, но и в природе уйма веществ существует в нановиде.
Открытие углеродных бакминстерфуллеренов — шаров диаметром 1 нанометр, состоящих из 60 углеродных атомов, часто считают вехой в истории нанотехнологий, но они полностью природного происхождения. Конечно, их можно создать и лабораторно, однако они формируются сами собой в копоти свечи. Ученые, сами того не ведая, творили наночастицы уже много веков. В XIX веке химик Майкл Фарадей производил эксперименты с коллоидным золотом, применявшимся при изготовлении витражей, и сам при этом не знал, что золотые частицы в коллоиде — наноразмеров. Это стало известно лишь в 1980-х, в век нанотехнологий.
Размер имеет значение
И все же считать, что в нанотехнологиях нет ничего нового и увлекательного, не получится. Не получится и делать вид, что новые материалы — те же самые, «просто мельче», поскольку дело не только в этом. В наномасштабах все действует не так, как в толще того же материала. Из самого очевидного: материалы, состоящие из наночастиц, имеют гораздо большую площадь на единицу объема, а это особенно важно для всяких химических процедур с их участием. Еще чуднее, что такие вещества и материалы ведут себя иначе. Цвет золотых наночастиц, к примеру, зависит от их размера. Коллоидное золото Фарадея золотистым по цвету не было. Оно было рубиново-красным.
Такая диковинность может приносить пользу: коллоидное золото с древности применяли в витражных стеклах. Однако есть и загвоздки: серебряные наночастицы все активнее применяют в антимикробных напылениях, толком не ведая, как эти крошечные частицы поведут себя в окружающей среде, куда они попадают с водой, какое влияние они окажут, когда их накопится заметное количество.
Царство фантазии
Меж тем ученые продолжают работать «снизу» — создавать предметы и приборы наноразмеров. Это пространство бескрайних возможностей — создание и наночастиц, и наномашинок. Могут ли малюсенькие приборчики совершить переворот в медицине, как воображал Фейнман? «Интересная получилась бы хирургия, если б можно было проглотить хирурга, — говорил он в лекции 1959 года. — Помещаете механического хирурга в кровеносный сосуд, он отправляется в сердце и оценивает там обстановку». Фейнманов нанохирург, может, еще и не воплощен в действительности, но списать его нацело на праздные фантазии мы тоже не можем. Исследователи уже трудятся над разработкой наноприборов, которые смогут доставлять лекарства прямо к пораженным клеткам и никак не затрагивать здоровые.
Но нет нужды углубляться в научную фантастику — ив реальном мире достаточно применений нанотехнологиям. «Самсунг» уже использует наноматериалы в электронных дисплеях телефонов. Нанотехнологии располагают методами создания лучших катализаторов дожига топлива и уменьшения выхлопа. Кремы от загара содержат наночастицы диоксида титана давным-давно, вопреки некоторым сомнениям в его безопасности.
Так что же, можно ль записать целую энциклопедию на булавочной головке? Запросто. В 1986 году Томас Ньюмен из Калифорнийского технологического института перенес страницу из «Повести о двух городах» Чарлза Диккенса на кусочек пластмассы площадью шесть тысячных миллиметра, а значит, разместить «Британскую энциклопедию» на двухмиллиметровой булавочной головке вполне можно.
Электроника на нанотрубках
Нанотрубки - малюсенькие трубочки из углерода, невероятно крепкие и проводящие электричество. Они могут заменить кремний в электронике, и из них уже делают транзисторы в микросхемах. В 2013 году исследователи из Стэнфордского университета построили простенький компьютер с процессором, сделанным из 178 нанотрубочных транзисторов. У него получалось отрабатывать всего две программы одновременно, а вычислительная мощность была такая же, как у самого первого «интеловского» микропроцессора. Трудность с применением нанотрубок в транзисторах состоит в том, что они не идеальные полупроводники - у некоторых нанотрубок «подтекает» электричество. Одна американская группа ученых обнаружила, что введение наночастиц оксида меди улучшает полупроводниковые свойства нанотрубок.
ДНК-доставка
Строительные приборы наномасштабов бывают и рукотворными, и полностью природными. У природных материалов есть преимущество: они лучше совместимы с живым организмом - тело опознает их и, скорее всего, не отторгнет. Вот почему некоторые ученые рассматривают ДНК как возможный транспорт лекарств в клетку. К примеру, заключить молекулу лекарственного вещества внутри ловушки из ДНК, у которой «замочек» открывается лишь правильным «ключиком» - специфическими молекулами на поверхности раковой клетки.