Нанотехнологии: вверх по лестнице, ведущей вниз

Появление первой статьи по нанотехнологии в РЖ (http://www.russ.ru/…evskaya_moda) вызвало ряд вопросов. Остепененные и заинтересованные люди спрашивали меня: как обстоит дело с нанотехнологиями, можно ли им верить, серьезно ли это все – или это очередной «обман трудящихся»? В этой статье я постараюсь показать, что дело обстоит весьма серьезно.

Юрий Нечипоренко

• Наночастицы «работали» на человека с незапамятных времен, технологии с их участием позволяли создавать мастерам, которые могли использовать свойства таких частиц, нержавеющие колонны и цветные витражи. Приложили к таким частицам руку и великие ученые ХIХ века: так в Британии хранятся коллоидные растворы золота, которые изготовил лично Майкл Фарадей. С начала ХХ века ведут отсчет работы в коллоидной химии, которые сейчас можно «прописать» по разряду нанотехнологии.
• Речь идет о создании в растворах «взвеси» частиц, имеющих характерные размеры в несколько нaнометров. Немного отстала от коллоидной химии физика нанокристаллов – оказалось, что иметь дело с отдельными конгломератами молекул в растворе проще, чем с кластерами в кристаллах [1]. Там, где речь идет о нанокристаллах, трудно обойтись без физики твердого тела и квантовой теории. Таким образом, чуть ли не всю физику ХХ века можно рассматривать как подготовку к появлению нанотехнологии.

Металлы и различные материалы в масштабе наноразмеров проявляют совершенно другие свойства: например, непрозрачные становятся прозрачными, инертные – активными, стабильные – метастабильными, твердые становятся жидкими при комнатных температурах (к примеру, золото), а изоляторы становятся проводниками (кремний). Самые яркие примеры нанотехнологических объектов, которые сейчас служат визитными карточками этой «зонтичной» научно-технической дисциплины, – фуллерены и квантовые точки. Фуллерены – это соединения углерода, которые могут напоминать футбольный мяч (молекула С60) или разного рода трубки.

Любопытно, что, хотя существование молекулы С60 было предсказано довольно давно, открытие ее связано с физикой космоса: вначале астрофизики обнаружили излучения, которые можно было интерпретировать как результат колебаний в такой молекуле, а потом синтезировали ее при помощи газовых разрядов на земле. (Она была найдена в саже, потом эту молекулу обнаружили в метеоритах.) Углеродные нанотрубки намного тверже стали (что позволяет использовать их в бронежилетах), они оказываются прекрасными проводниками и полупроводниками, из которых можно собирать логические схемы, работающие на потоках единичных электронов! Таким образом, появляется возможность небывалой миниатюризации чипов для компьютерных схем.

• Если обратиться к технологии изготовления компьютерных чипов сейчас, то речь идет о движении «сверху вниз». Кремниевые элементы, используемые в компьютерах, становятся с каждым годом все меньше и меньше и в настоящее время достигают размеров 200 нанометров. Обратное движение, «снизу вверх», подразумевает изготовление тем или иным способом из цельных матриц отдельных элементов. Итак, в нанотехнологии различают сейчас два пути – традиционный (сверху вниз), когда из большого кристаллического «тела» делаются малые, и новационный – когда из отдельных молекул собирается то, что нужно (снизу вверх). Второй путь подразумевает манипулирование наноразмерными частицами – именно этот путь дает определение нанотехнологии в узком смысле этого слова.

Наука вступила в нанотехнологии широким фронтом с 70-х годов прошлого века – когда появились работы по молекулярному узнаванию (которые сейчас можно отнести к разряду «нанобиологии»). Молекулярное узнавание, молекулярное конструирование и кооперативные взаимодействия входят в каталог нанотехнологий по версии сайта «Википедия». Заметим, что эти явления интенсивно исследуются на протяжении вот уже более тридцати лет в Институте молекулярной биологии РАН. В результате таких исследований появились молекулярные модели комплексов биологически активных пептидов с ДНК, были сконструированы бис-пептиды, созданы биочипы [2].

• Биочип представляет собой молекулярный усилитель, то есть такую систему, в которой каждая мутация – замена одной «буквы» в ДНК (микроуровень) – ведет к другому паттерну точек на чипе (макроуровень, см. рисунок). С виду это напоминает азбуку Брайля- ученые, как «молекулярные слепые», наощупь могут почувствовать мутации больного.

Отдельные элементы новых технологий могут теперь собираться, как собираются пазлы. Квантовые точки (конгломераты из сотен атомов) могут использоваться в лазерах, которые, в свою очередь, используют оптические волокна для передачи информации (заметим, что до 80% данных в интернете идет по таким волокнам). Атом на атом, кирпичик на кирпичик, технология на технологию – так высокотехнологичное западное общество громоздит свои технологии «все выше и выше», старается оторваться от следующих, по пятам догоняющих их стран. Недаром США обозначили развитие нанотехнологий как национальный приоритет (см. сайт Национальной нанотехнологической инициативы) [3].

• Вдогонку США бросилась и Россия. Год назад была создана Российская корпорация нанотехнологий (Роснанотех). Президент госкорпорации Леонид Меламeд заявил, что нанотехнологический проект сравним с атомным проектом. Недавно была проведена реорганизация Академии наук, и вместо отделения информационных и вычислительных систем создано отделение нано- и информационных технологий. Новое отделение должно бы содействовать ликвидации нашего отставания в этой области. Злые языки ехидно заметили, что в былые времена люди достигали успехов в атомном проекте, а потом их награждали званиями академиков, а сейчас все происходит с точностью до наоборот – вначале награждают, потом ждут успехов.

На финансирование научно-технических разработок, которые должны приносить прибыль и возвращать деньги в казну, Роснанотеху выделено 130 миллиардов рублей [4]. Недавно состоялась встреча клуба научных журналистов с представителями Роснанотеха. От корпорации выступил Александр Костинский, директор по подготовке контента научно-популярных и образовательных программ. Он заявил, что ажиотажный интерес к нанотехнологиям обусловлен тем, что у нас финансирование проектов в области нанотехнологий составляет 40% от общих затрат на науку, в то время как в США – только 2%.

• Что же касается экспертизы проектов, то в настоящее время поддержан только один проект: производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров (автор – Вадим Раховский). Этот проект можно рассматривать как демонстрационный. По версии Роснанотеха, научные сотрудники не привыкли строить бизнес-планы, и сама корпорация в лице своих менеджеров помогала доводить проект Раховского до «товарного» вида. Сергей Парсегов из Роснанотеха рассказал, как много потребовалось сил для того, чтобы это сделать.

• Он считает, что в науке катастрофически не хватает квалифицированных менеджеров, которые бы помогли ученым довести их заявки до вида, который может претендовать на финансирование, а сами научные достижения – до стадии внедрения. Заявки на проекты принимают с апреля, уже подано 450 заявок. Большинство из них – из области фантастики. Однако чтобы рассмотреть внимательно даже десятую часть заявок, корпорации потребуется много времени: экспертные советы по всем направлениям нанотехнологий только начинают формироваться.

• На встрече присутствовал также Ильдар Габитов, профессор математического факультета Аризонского университета, руководитель программы «Математические методы в телекоммуникациях», ассоциированный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории (США), один из ведущих специалистов в мире по физике метаматериалов и нанофотонике. Отвечая на вопросы журналистов о «наболевшем», об утечке мозгов из науки в банки и на Запад, о потере приоритетов в ряде областей науки, он рассказал, что сейчас в МФТИ организована кафедра нанобиофизики и конкурс на эту кафедру очень высок.

Молодежь хочет идти в науку, и при хорошей организации образования мы можем восполнить утраты от утечки мозгов. В общем обсуждении на заседании клуба научных журналистов выяснилось, что проблема состоит не только в совершенствовании нашего образования, но и в том, что мы утратили целые технологические отрасли.

• Так, Вадим Раховский сетовал, что в оптике мастеров производства почти не осталось – их пришлось искать в самых разных местах. Полученный им грант подразумевает поддержку всей технологической цепочки – от студентов и научных сотрудников до мастеров на производстве. Таким образом, может вырасти новый выскотехнологичный куст в области нанооптики. Но таких областей, где надо высаживать нанотехнологическую «рассаду», которые надо культивировать и поливать финансовыми вливаниями, – десятки и сотни…

Сможет ли Роснанотех грамотно распорядиться таким огромным бюджетом, который сулит подъем производства в десятках отраслей? От ответа на этот вопрос зависит очень многое.

• Представители Роснанотеха заверили журналистов, что и нанобетон, и наноасфальт не «нанопурга», а реальные разработки, за которыми они следят и которые сулят немалые прибыли. Возможно, это и так. Но есть вполне определенная опасность – такие большие государственные средства при неотработанной системе экспертиз могут оказаться лакомым куском для «лоббирующих субъектов», и большая их часть уйдет феодалам и чиновникам от науки, сгорят в кострах личных амбиций, а не достанутся реально работающим коллективам.

Внедрение даже принятого Роснанотехом вполне «путного» проекта наталкивается на огромные дыры в нашей индустрии: на встрече научных журналистов было заявлено, что в России за последние годы не построили ни одного завода, а разорили немало [5].

• «Гуру нанотехнологии» Эрик Дрекслер, который предложил концепцию «серой слизи» в своей книге «Машины творения», сейчас утверждает, что нельзя недооценивать опасности от нанотехнологий, и разделяет понятия самопродуцирования (autoproduction) от самореплицирования (self-replication).

Самопродуцирование наноструктур на нанофабриках идет под внешним контролем, именно этот контроль необходим как для эффективности работы нанофабрик, так и для уменьшения рисков безудержного спонтанного размножения наноструктур, которые, как в фантастическом триллере, могут вступить в битву с земной жизнью и изничтожить все живущее на земле, превратить планету в пристанище серой слизи.

• У нас, похоже, уже поработала своя «серая слизь» – уже давно она сожрала большую часть высокотехнологичных производств. И остается только надеяться, что теперь можно будет что-то начать строить, хотя бы мало-помалу, начиная с отдельных молекул. Строить новое вещество с новыми свойствами: может быть, заодно придется построить и новое общество.

П р и м е ч а н и я:

• 1. Недавно вышла монография А.Гусева «Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии», изд. 2, испр. 2007, где это «отставание» ясно обозначено и частично преодолено. Вообще, следует заметить, что в России издаются хорошие журналы и книги по нанотехнологии (например, «Наноиндустрия», «Российские нанотехнологии», да и в научно-популярных журналах «Квант» и «Химия и жизнь» печатаются хорошие статьи, выходит прекрасная серия «Мир материалов и технологий», в которой, скажем, в 2006 году была издана книга «Военные нанотехнологии» Ю.Альтмана – В 2008 году вышло её 2-е издание).

• 2. Автор был свидетелем развития идеологии этих работ, которая проходила в лабораториях Михаила Волькенштейна и Андрея Мирзабекова в ИМБ РАН. Наноконструкции используются сейчас биочипах, позволяющих проводить многопараметрический анализ биологического материала. Основой биочипов является матрица микроячеек на плоскости, каждая из которых содержит молекулярные зонды, специфичные к одной из множества биологических молекул или их фрагментов (например, последовательностям ДНК или РНК, белкам). В качестве молекулярных зондов могут служить олигонуклеотиды, фрагменты геномной ДНК, РНК, белки, полипептиды и т.д.
• Применение биочипов позволяет оперативно выявлять лекарственно-устойчивые формы туберкулеза, обнаруживать микроорганизмы и вирусы, различать видопринадлежность вирусов оспы, а также выяснять индивидуальные генетические особенности пациента, определяющие предрасположенность к наследственным и онкологическим заболеваниям, переносимость некоторых курсов терапии (см. здесь: http://biochip.ru/).

• 3. Об этом см. любопытную работу Генриха Эрлиха «Нанотехнологии как национальная идея» (http://elementy.ru/lib/430589).

• 4. Для сравнения укажем, что ставки научных сотрудников в Курчатовском институте (при котором базируется Курчатовский центр синхротронного излучения и нанотехнологий) составляют 3–4 тысячи рублей. Замечу, что, когда мы предлагали выпускнику физического факультета МГУ работу в научной лаборатории на 30 тысяч рублей в месяц, он заметил, что рассматривает предложения от 40 тысяч (конечно, в банковских структурах!).

• 5. В России есть по крайней мере одна успешно работающая нанотехнологическая компания (http://orange.strf.ru/…octrine.aspx?…) – это NT-MDT Виктора Быкова (http://www.ntmdt.ru/). В целом же работы в области нанотехнологии проводятся в десятке ведущих вузов и институтов – в МГУ (Игорь Суздалев, Юрий Третьяков, Геннадий Хомутов, Игорь Яминский и др.), в СПбГУ (Нина Касьяненко и др.), СПб Политехническом университете (Сергей Козырев и др.), в центре фотохимии РАН, Институте кристаллографии РАН.

Нанотехническое сообщество потрясла печальная новость – в мае этого года при загадочных обстоятельствах скоропостижно скончалась Светлана Желудева (http://www.nanonewsnet.ru/…na-zheludeva), зам. директора Института кристаллографии РАН (она открыла письмо с белым порошком, адресованное на имя Михаила Ковальчука).

Юрий Нечипоренко

/…duschej_vniz

Вот интересно написанная научно-популярная статья. Именно такие статьи должны регулярно и как можно чаще появляться в наших газетах и журналах, в других СМИ. Только тогда «народ» начнёт постепенно разбираться в том, что же это такое – нанотехнологии?..